浅谈变频器供电条件下电动机的温升与对策

  为节约能源和改善工艺控制，慢慢的变多的工业过程利用变频器来提高生产系统的综合效率。变频器输出的pwm脉冲电压谐波成分丰富、脉冲频率高且上升沿陡直，这样的情况与用50hz的交流正弦波驱动电动机的状况大不相同，在能量转换过程中，电动机内部将不可避免地产生损耗，使电动机的温度上升。当温升超过最高容许工作时候的温度时，电动机的常规使用的寿命将大幅度缩短。为此，研究电动机的温升问题及其缓解对策是十分重要的。此外，由于电机结构较为复杂，散热条件不同，电机内部每个部分的温度分布和温升也不完全相同［1］，然而目前却很少有具体的数据资料可供参考。

  本文首先介绍电动机的温升限度，然后通过试验数据和原理分析相结合的方法说明变频器供电条件下电动机的温升问题，进而介绍缓解温升的对策。

  电动机中常用的在允许电压下不导电的材料，按其耐热能力，分为a、e、b、f和h等五级。a级绝缘采用经过浸渍或使用时浸于油中的棉纱、丝和纸等有机材料，e级绝缘是聚脂树脂、环氧树脂及三醋酸纤维等制成的绝缘薄膜，b、f、h级绝缘的基本材料均为云母、石棉及玻璃纤维，但浸渍用漆的耐热性能不同。表1列出各级绝缘的最高容许工作时候的温度。

  上述耐热能力是指可以长期在该温度下使用。当工作时候的温度超过最高容许工作温度时，常规使用的寿命将迅速缩短。试验表明，对a级绝缘，若长期处在90～95℃时，其常规使用的寿命可达20年；当工作时候的温度在95℃以上时，温度每增高8℃，绝缘的常规使用的寿命就将减少一半（俗称8℃定理）；例如一直工作在110℃，寿命就只有4～5年。

  一般电动机多用e级和b级绝缘。要求在高温场合下使用的电动机，如起重及冶金用电动机，常采用f级和h级绝缘。

  电动机某一部分的温度和周围冷却介质的温度之差称为该部件的温升，一般用表示。当该部分所用绝缘材料确定后，部件的最高容许工作时候的温度就确定了，此时温升限度就取决于冷却介质的温度。冷却介质的温度越高，容许的温升就越低。

  考虑到全国各地区和各个季节环境和温度的变化较大，国家标准gb755-87（电动机基本技术方面的要求）明确规定，在海拔1000m以下时，环境空气温度规定为40℃，当最高环境和温度比40℃高出t0时（t0不超过20℃），温升限度应相应地减低t0；如低于40℃时，温升限度一般维持原值不变。当海拔在1000m以上，但不超过4000m时，温升限度按试验和使用地点的海拔差别进行校正［2］。

  电动机试制以后，须进行温升试验以确定其实际温升。由于不同的测量方法得到的测量结果不同，因此在规定温升限度的同时，还应规定测温方法。常用的测量方法有三种：温度计法、电阻法和埋置检温计法。国标中所规定的部件容许最高温度，也因测量方法不同而不同。例如环境空气温度为40℃时，采用b级绝缘的5000kw以下的交流电动机的交流绕组，其温升限度规定为：电阻法80℃；检温计法90℃；加上环境和温度后，其值低于或等于b级材料的容许工作温度。

  对于变频器供电电动机而言，由于高次谐波的存在，电机内部会产生以下附加损耗［3］：

  （4）三相异步电动机在高频下运行时，集肤效应使转子电阻增加导致转差铜耗显著增加。

  另一方面，对于普通标准电动机而言，冷却风扇直接安装在转子轴上，电动机低频运转时冷却效果一下子就下降，更会加剧电动机温升的提高。通常电动机温升同冷却风量产生的冷却效果的关系为［4］：

  式中，q为冷却风量，n为电动机转速。如果电动机产生的损耗不变，温升同转速的0.4～0.5次方成反比。

  总之，电动机特别是普通电动机在采用变频器供电时，由于发热和散热两方面因素会致使电动机温升增大。电动机温升增大影响绕组的常规使用的寿命，限制电动机的输出，严重的甚至会烧毁电动机。

  文献［1］介绍的实际测量温升的实验结果，对于了解电动机的温度分布规律特别是变频电源对电动机温升的影响十分有用。以一台三相4极230v，2.2kw的笼型感应电动机为实验对象，分别采取了典型的spwm变频器（运行在50hz）和工频正弦供电，将电机温升情况作对比。采用专门的设计和制造方法，在电动机体内（定子、转子、气隙、壳体）安置或埋置了20个热敏电阻传感器（稳定性很高、精度高），其中三个传感器放置在转子中。定子端部绕组传感器位于定子绕组的径向中心位置（位置1、位置10），一般地，取轴伸端和风扇端的两个传感器的温度平均值作为最终温度。