载波频率对绝缘的影响

电机的温度越高，绝缘的寿命越短，如图5所示，当温度升高到75?C时，电机的寿命只有50%。变频器驱动的电机，由于PWM电压包含较多的高频成份，电机温度会远高于工频电压驱动的情况。变频器损伤电机轴承的机理变频器损伤电机轴承的原因是，有流过轴承的电流，并且这种电流处于断续连通的状态，断续连通的电路会产生电弧，电弧烧毁了轴承。导致交流电机的轴承中流过电流的原因主要有两个，第一，内部电磁场不平衡产生的感应电压，第二，杂散电容引起的高频电流通路。理想交流感应电机内部的磁场是对称的，当三相绕组的电流相等，并且相位相差120?时，不会在电机的轴杆上感应出电压。变频器输出的PWM电压导致电机内部的磁场不对称时，就会在轴杆上感应出电压，电压的幅度在10~30V，这与驱动电压有关，驱动电压越高，轴杆上的电压越高。当这个电压的数值超过轴承中的润滑油的绝缘强度时，就会形成一个电流通路。轴杆旋转过程中，在某个时刻，润滑油的绝缘又阻断了电流。这个过程类似于机械式开关的通断过程，这个过程中会产生电弧，烧蚀轴杆、滚珠、轴碗的表面，形成凹坑。如果没有外部振动，小凹坑不会产生过大的影响，但是如果有外部振动时，会产生凹槽，这对电机的运转影响很大。另外，实验表明，轴杆上的电压还与变频器输出电压的基波频率有关，基波频率越低，轴杆上的电压越高，轴承损伤越严重。在马达工作的初期，润滑油温度较低的时候，电流幅度在5-200mA，这么小的电流不会对轴承产生任何损坏。但是，当马达运行一段时间后，随着润滑油温度升高，峰值电流会达到5-10A，这会产生飞弧，在轴承部件的表面形成小坑。电机定子绕组的保护当电缆的长度超过30米时，现代变频器必然会在电机端产生尖峰电压，缩短电机的寿命。防止电机出现损伤，有两个思路，一个是采用绕组绝缘抗电强度更高的电机（一般称为变频电机），另一个是采取措施减小尖峰电压。前一种措施适合于新建的项目，后一种措施适合于对已有的电机进行改造。目前常用的电机保护方法有以下4个：1)在变频器的输出端安装电抗器：这个措施最常用，但是需要注意的是，这个方法对于较短的电缆（30米以下）有一定效果，但是有时效果不够理想，如图6(c)所示。2)在变频器的输出端安装dv/dt滤波器：这个措施适用于电缆长度小于300米的场合，价格略高于电抗器，但是效果有了明显的改善，如图6(d)所示。3)在变频器的输出端安装正弦波滤波器：这个措施是最理想的。因为在这里，将PWM脉冲电压变成了正弦波电压，是电机工作在与工频电压相同的条件下，尖峰电压的问题得到了彻底的解决（电缆再长，也不会出现尖峰电压了）。4)在电缆与电机接口的位置安装尖峰电压吸收器：前面几个措施的缺点是当电机的功率较大时，电抗器或滤波器的体积、重量很大，价格较高，另外，电抗器和滤波器都会导致一定的电压降，影响电机的输出力矩，采用变频器尖峰电压吸收器能够克服这些缺点。航天科工集团二院706所开发的SVA尖峰电压吸收器，采用先进的电力电子技术和智能控制技术，是解决电机损伤的理想设备。另外，SVA尖峰吸收器还能保护电机的轴承。尖峰电压吸收器是一种新型的电机保护装置，如图7所示（航天科工集团的SVA型号）。并联连接电机的电源输入端。SVA尖峰电压吸收器的原理框图如图8所示，它的工作过程如下：1)尖峰电压检测电路实时检测电机电源线上的电压幅度；2)当检测到电压的幅度超过设定的阈值时，控制尖峰能量缓冲电路，使其吸收尖峰电压的能量；3)当尖峰电压的能量充满尖峰能量缓冲器时，尖峰能量吸收控制阀门打开，使缓冲器中的尖峰能量泄放到尖峰能量吸收器，将电能转变成热能；4)温度监控器监测尖峰能量吸收器的温度，当温度过高时，适当关闭尖峰能量吸收控制阀门，减小能量的吸收（在保证电机受到保护的前提下），避免尖峰电压吸收器过热而损坏；5)轴承电流吸收电路的作用是将轴承电流吸收掉，保护电机轴承。