变频器损伤电机定子绕组的机理

　　脉冲电压在电缆上传输时，如果电缆的阻抗与负载的阻抗不匹配，在负载端会产生反射。反射的结果是，入射波与反射波叠加，形成更高的电压，它的幅度最大可以达到直流母线电压的2倍，大约相当于变频器输入电压的3倍，如图所示。过高的尖峰电压加在电机定子的线圈上，对线圈造成电压冲击，频繁的过电压冲击会导致电机过早失效。

　　变频器驱动的电机受到尖峰电压的冲击后，它的实际寿命与很多因素，包括，温度、污染、振动、电压、载波频率以及线圈绝缘的工艺等因素有关。

　　变频器的载波频率越高，输出电流波形越接近正弦波，这会降低电机的运行温度，从而延长绝缘的寿命。但是，更高的载波频率意味着每秒钟产生的尖峰电压数量更多，对电机的冲击的次数更多。图给出了绝缘寿命随着电缆长度与载波频率的变化。从图中可知，对于200英尺长的电缆，当载波频率从3kHz提高到12kHz（变化4倍）时，绝缘的寿命从大约8万小时降低到2万小时（相差4倍）。

　　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。

　　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。

　　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。

　　尖峰吸收器与前面所述的du/dt滤波器、正弦波滤波器等电机保护方法相比，最大的好处是，体积小、价格低，安装简便（并联安装）。特别是功率较大的场合，尖峰吸收器在价格、体积、重量等方面的优点很突出。另外，由于是并联安装，不会产生电压降，而du/dt滤波器和正弦波滤波器上都会有一定的电压降，正弦波滤波器的电压降接近10%，这会导致电机的转矩降低。