淺談變頻器供電條件下電動機的溫升與對策（2）
傳感器安裝位置說明：
轉子：13（軸中心），14（軸伸側表面），15（風扇側表面）；
定子繞組端部：1（軸伸側），10（風扇側）；
定子鐵心槽部：17（軸伸側），4（風扇側）；
殼內空間氣隙：8（軸伸側），19（軸伸側靠近定子繞組），20（風扇側）；電動機殼體：6。
工頻正弦和變頻電源供電的情況下，每一個溫度點都測量大量的數據，由最小二乘法得到該點的溫度曲線。
圖2所示是滿載條件下，由變頻器和正弦電源分別供電時對應各測量點的溫度曲線。圖3所示是變頻器供電電動機在不同負荷條件下的溫度曲線（工作頻率為50Hz）。圖4所示是正弦波供電時不同負載條件下的溫度曲線圖。
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圖2 滿載條件下溫度曲線
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圖3 不同負載條件下的溫度曲線
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圖4 正弦供電時不同負載條件下溫度曲線
顯而易見，在變頻器和正弦電源供電條件下，溫度曲線具有相同的上升趨勢。由變頻器諧波引起的附加溫升較大，定子側為7℃左右（位置1），轉子側大約為15℃（位置13）。對于結構材料相似的其他容量的感應電動機，上述結果同樣適用。另外,電動機各部位溫度分布差異很大，定子端部繞組（位置1）的溫度低于定子中心（位置17）溫度，這是因為定子端部繞組冷卻條件比較好；同時由于風扇的冷卻作用，風扇側的定子端部繞組（位置10）溫度和殼內空間氣隙（位置20）溫度均低于相應軸伸側的定子端部繞組（位置1）溫度和殼內氣隙（位置8）溫度。由于熱量傳遞的復雜性以及冷卻條件的不一致，溫度和損耗的關系是非線性的。
對于平方轉矩負載而言，低速運行時負載轉矩減小，電動機銅耗和發熱量降低，雖然低速時冷卻能力降低（如采用自冷式或自扇冷式），但電動機溫升增大的不會太多。對于恒轉矩負載而言，低速運行時負載轉矩不變，電動機銅耗和發熱量并不比高速運行時小，而低速時冷卻能力卻降低了，因此電動機溫升將會有較大的增大，使用時要特別注意。
表2給出了變頻器供電條件下Y100I2-4型自扇冷式電動機的轉速對溫升的影響實測的數據。
表2 自扇冷式電動機的轉速對溫升的影響實測的數據
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由上表中可以看出變頻調速時，雖然電動機的轉矩、輸出功率都隨頻率的下降而降低（即發熱量減?。?但電動機的溫度卻升高了，特別是電動機運行在30Hz以下時，溫升尤其嚴重。因此可見，電動機變頻運行后其溫升增加幾乎是不可避免的，特別是普通電動機低速運行時，極易發生過熱現象。為此，了解電動機的溫升緩解方法是十分重要的。
4 緩解電動機溫升的對策
溫升是影響電動機使用壽命的關鍵因素，電動機溫升的“8℃定理”就是這一觀點的佐證。如前所述，電動機在變頻器供電時的溫升會比工頻電源時有明顯增加，一般地，電機運行頻率越低溫升越高。切實需要采取措施，限制或緩解電動機溫升的增加，保證設備安全運行。
在電動機選定的條件下，限制或緩解電動機溫升無非有兩個方面，一是合理地減少損耗，即降低發熱量；再就是改善冷卻條件，使熱能有效地散發出去。
減少損耗的根本措施一是抑制諧波，二是限制負載轉矩，具體措施如下：
（1）采取各種抑制諧波的措施，例如在變頻器的輸出側加裝濾波器，以改善輸出諧波性能，減少由于高次諧波引起的附加損耗。
（2）合理調試“載波頻率”參數，改善諧波性能，減小電動機的各種損耗。一般認為載波頻率適度提高，高次諧波含量將降低，電機損耗小。但是必須注意：載波頻率過高將加劇電動機的沖擊電壓，對電動機絕緣不利，而且變頻器自身的損耗要增大，因此載波頻率的設置也不宜過高。
（3）對于減負載場合或電動機輕載運行情形，適度減低變頻器輸出電壓，即減小U/f給定。
（4）對于減負載場合，適當降低最高運行頻率限制，降低電機出力。
（5）適當地提高電動機和變頻器的容量，減小其負載系數。
另外，如果生產工藝允許，電動機輕載使用也是一種簡單有效的方法。
圖5示出變頻供電時（變頻器容量與電機容量的組合為1∶1）電動機容許的連續運轉轉矩和短時最大轉矩特性的一例[4]。這些特性隨電機的種類、結構等的不同而不同，詳細情況需要根據各廠家提供的資料進行研究。
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圖5 容許連續運轉轉矩和最大轉矩
圖5中，容許連續運轉轉矩表示通用電機連續運轉時，可以將電機溫升限制在規定值以內的容許轉矩值。如用220V、60Hz電源以20Hz的速度連續運轉電機時，如果負載轉矩在電機額定值的80%以內，則可以使電機的溫升不超過規定值。最大轉矩表示通用電機用變頻器傳動時電機可以產生的最大轉矩值。以此轉矩值不能連續運轉，所以為短時定額。
在提高散熱能力方面的具體措施：
（1）選用變頻專用電動機或采用強迫通風式電動機。
（2）改造原有設備，另設專用冷卻風扇。
另外，如果生產工藝允許，限制電動機運行的最低頻率，保證自扇冷式電動機在低速時的冷卻能力，也是一種簡單有效的方法。
值得指出的是，目前大量使用的普通中小型交流電動機都是按恒頻/恒壓（50Hz/380V）設計的，為了降低成本這些電動機都是自帶風扇型冷卻的，冷卻風量也是基本按電動機額定速度設計的，較少考慮電動機調速（降速）后，自扇冷式電動機的散熱能力下降的問題。在變頻器廣泛應用的今天，這種電動機實際上已經不能適應變頻調速的要求，變頻電動機是理想的選擇之一。相比普通交流電動機，目前變頻電動機價格昂貴，許多企業難以承受。改造中小型電動機冷卻方式，即采用他扇冷式這種以往多用于大型電動機的冷卻方式，是一種簡單有效且價廉物美的方案。
應用通用變頻器改造舊有的普通異步機恒速系統時，尤其應該注意以下幾點問題。對于平方轉矩負載（如風機、水泵）一般直接選用容量適當的變頻器即可；但是對于恒轉矩負載應注意實測或估算電動機長期運轉的頻率，判明電動機實際功耗與電動機余量。對于調速范圍比較寬的電動機，特別是具有恒轉矩調速和恒功率調速兩個運行范圍的電動機，不能采用自扇冷式電動機，這種方式對高速和低速都不利，低速時冷卻效果差，高速時冷卻能力過剩使系統效率下降。
4 結束語
本文研究了變頻器供電條件下感應電動機的溫升問題，分析了由于電動機的損耗和散熱問題所引起的電動機溫升增大的原因，并通過試驗數據詳實的說明電動機的溫度分布規律和變頻電源對電機溫升的影響，提出了減少損耗和改善散熱方面的具體措施，為解決電動機溫升問題提供了參考。(end)
轉子：13（軸中心），14（軸伸側表面），15（風扇側表面）；
定子繞組端部：1（軸伸側），10（風扇側）；
定子鐵心槽部：17（軸伸側），4（風扇側）；
殼內空間氣隙：8（軸伸側），19（軸伸側靠近定子繞組），20（風扇側）；電動機殼體：6。
工頻正弦和變頻電源供電的情況下，每一個溫度點都測量大量的數據，由最小二乘法得到該點的溫度曲線。
圖2所示是滿載條件下，由變頻器和正弦電源分別供電時對應各測量點的溫度曲線。圖3所示是變頻器供電電動機在不同負荷條件下的溫度曲線（工作頻率為50Hz）。圖4所示是正弦波供電時不同負載條件下的溫度曲線圖。
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圖2 滿載條件下溫度曲線
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圖3 不同負載條件下的溫度曲線
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圖4 正弦供電時不同負載條件下溫度曲線
顯而易見，在變頻器和正弦電源供電條件下，溫度曲線具有相同的上升趨勢。由變頻器諧波引起的附加溫升較大，定子側為7℃左右（位置1），轉子側大約為15℃（位置13）。對于結構材料相似的其他容量的感應電動機，上述結果同樣適用。另外,電動機各部位溫度分布差異很大，定子端部繞組（位置1）的溫度低于定子中心（位置17）溫度，這是因為定子端部繞組冷卻條件比較好；同時由于風扇的冷卻作用，風扇側的定子端部繞組（位置10）溫度和殼內空間氣隙（位置20）溫度均低于相應軸伸側的定子端部繞組（位置1）溫度和殼內氣隙（位置8）溫度。由于熱量傳遞的復雜性以及冷卻條件的不一致，溫度和損耗的關系是非線性的。
對于平方轉矩負載而言，低速運行時負載轉矩減小，電動機銅耗和發熱量降低，雖然低速時冷卻能力降低（如采用自冷式或自扇冷式），但電動機溫升增大的不會太多。對于恒轉矩負載而言，低速運行時負載轉矩不變，電動機銅耗和發熱量并不比高速運行時小，而低速時冷卻能力卻降低了，因此電動機溫升將會有較大的增大，使用時要特別注意。
表2給出了變頻器供電條件下Y100I2-4型自扇冷式電動機的轉速對溫升的影響實測的數據。
表2 自扇冷式電動機的轉速對溫升的影響實測的數據
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由上表中可以看出變頻調速時，雖然電動機的轉矩、輸出功率都隨頻率的下降而降低（即發熱量減?。?但電動機的溫度卻升高了，特別是電動機運行在30Hz以下時，溫升尤其嚴重。因此可見，電動機變頻運行后其溫升增加幾乎是不可避免的，特別是普通電動機低速運行時，極易發生過熱現象。為此，了解電動機的溫升緩解方法是十分重要的。
4 緩解電動機溫升的對策
溫升是影響電動機使用壽命的關鍵因素，電動機溫升的“8℃定理”就是這一觀點的佐證。如前所述，電動機在變頻器供電時的溫升會比工頻電源時有明顯增加，一般地，電機運行頻率越低溫升越高。切實需要采取措施，限制或緩解電動機溫升的增加，保證設備安全運行。
在電動機選定的條件下，限制或緩解電動機溫升無非有兩個方面，一是合理地減少損耗，即降低發熱量；再就是改善冷卻條件，使熱能有效地散發出去。
減少損耗的根本措施一是抑制諧波，二是限制負載轉矩，具體措施如下：
（1）采取各種抑制諧波的措施，例如在變頻器的輸出側加裝濾波器，以改善輸出諧波性能，減少由于高次諧波引起的附加損耗。
（2）合理調試“載波頻率”參數，改善諧波性能，減小電動機的各種損耗。一般認為載波頻率適度提高，高次諧波含量將降低，電機損耗小。但是必須注意：載波頻率過高將加劇電動機的沖擊電壓，對電動機絕緣不利，而且變頻器自身的損耗要增大，因此載波頻率的設置也不宜過高。
（3）對于減負載場合或電動機輕載運行情形，適度減低變頻器輸出電壓，即減小U/f給定。
（4）對于減負載場合，適當降低最高運行頻率限制，降低電機出力。
（5）適當地提高電動機和變頻器的容量，減小其負載系數。
另外，如果生產工藝允許，電動機輕載使用也是一種簡單有效的方法。
圖5示出變頻供電時（變頻器容量與電機容量的組合為1∶1）電動機容許的連續運轉轉矩和短時最大轉矩特性的一例[4]。這些特性隨電機的種類、結構等的不同而不同，詳細情況需要根據各廠家提供的資料進行研究。
佳工機電網
圖5 容許連續運轉轉矩和最大轉矩
圖5中，容許連續運轉轉矩表示通用電機連續運轉時，可以將電機溫升限制在規定值以內的容許轉矩值。如用220V、60Hz電源以20Hz的速度連續運轉電機時，如果負載轉矩在電機額定值的80%以內，則可以使電機的溫升不超過規定值。最大轉矩表示通用電機用變頻器傳動時電機可以產生的最大轉矩值。以此轉矩值不能連續運轉，所以為短時定額。
在提高散熱能力方面的具體措施：
（1）選用變頻專用電動機或采用強迫通風式電動機。
（2）改造原有設備，另設專用冷卻風扇。
另外，如果生產工藝允許，限制電動機運行的最低頻率，保證自扇冷式電動機在低速時的冷卻能力，也是一種簡單有效的方法。
值得指出的是，目前大量使用的普通中小型交流電動機都是按恒頻/恒壓（50Hz/380V）設計的，為了降低成本這些電動機都是自帶風扇型冷卻的，冷卻風量也是基本按電動機額定速度設計的，較少考慮電動機調速（降速）后，自扇冷式電動機的散熱能力下降的問題。在變頻器廣泛應用的今天，這種電動機實際上已經不能適應變頻調速的要求，變頻電動機是理想的選擇之一。相比普通交流電動機，目前變頻電動機價格昂貴，許多企業難以承受。改造中小型電動機冷卻方式，即采用他扇冷式這種以往多用于大型電動機的冷卻方式，是一種簡單有效且價廉物美的方案。
應用通用變頻器改造舊有的普通異步機恒速系統時，尤其應該注意以下幾點問題。對于平方轉矩負載（如風機、水泵）一般直接選用容量適當的變頻器即可；但是對于恒轉矩負載應注意實測或估算電動機長期運轉的頻率，判明電動機實際功耗與電動機余量。對于調速范圍比較寬的電動機，特別是具有恒轉矩調速和恒功率調速兩個運行范圍的電動機，不能采用自扇冷式電動機，這種方式對高速和低速都不利，低速時冷卻效果差，高速時冷卻能力過剩使系統效率下降。
4 結束語
本文研究了變頻器供電條件下感應電動機的溫升問題，分析了由于電動機的損耗和散熱問題所引起的電動機溫升增大的原因，并通過試驗數據詳實的說明電動機的溫度分布規律和變頻電源對電機溫升的影響，提出了減少損耗和改善散熱方面的具體措施，為解決電動機溫升問題提供了參考。(end)
本文標簽：淺談變頻器供電條件下電動機的溫升與對策（2）
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：鞏經理
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