变频控制电机过热损坏的原因分析及对策

1 故障现象
山西铝厂氧化铝二分厂三车间有3个油隔泵站，每个泵站3台喂料油隔泵，分别担负着2台熟料窖的供料任务，是生产流程中的一个关键环节。油隔泵为恒转矩负载，电机采用变频控制，根据生产需要，调节电机转速以改变熟料窖的下料量。因泵的流量不同，一泵站电机工作频率为25Hz左右，二、三泵站电机均为30Hz以上。9台电机从1991年陆续投用以来运行稳定，基本上满足了生产要求。但从1995年7月份起，电机普遍发热严重，一泵站电机尤为明显，3台电机先后发生了匝间短路故障。原电机为10极、115kW，因无同型号备用电机，用别处改造换下的8极、130kW电机替代。可使用后发现，与原115kW电机相比，电机过热现象更为严重，虽然加了轴流风机冷却，但运行不到一周就发生绕组烧损故障。起初以为电机质量有问题，便又换了1台130kW电机，运行时间不长，再次发生绕组过热烧损。
2 原因分析
变频器及油隔泵电机型号如下。变频器型号：富士FRN160P5 5台、FRN160P7 4台。电机型号：JR127-10型，380V、115kW、238A，B级绝缘，1590kg，将转子端接作笼型电机使用。代用电机型号：JS127-8型，380V、130kW、249A，B级绝缘，1300kg。
（1）变频控制电机发热的原因分析
1 高次谐波引起电机的效率和功率因数变差，电机损耗增加 变频装置用交-直-交控制，变频器输出的电压、电流波形均有高次谐波。由于普遍电机是按正弦波电源制造的，当有高次谐波流过电动机绕组时，铜损增大，并引起附加损耗，从而引起绕组发热。有资料表明，变频器传动与工频电源传动相比，电流约增加10%，温升约增加20%。
2 电机低速运转，散热能力变差 使用变频调速后电机往往处于低于额定转速的运行状态，标准电机的冷却风扇装在转子轴上，所以在低频下运转的电机，因电机转速降低而使冷却效果大幅度下降。
3 电压变化率du/dt增高，电机故障率增加 目前市场上的变频器大部分是交-直-交变频器，其逆变部分是将直流电压转换为三相交流电压，通过控制六个桥臂的开关元件导通、关断来实现三相交流电压的输出。如常见的改变变频器输出电压的PWM方式，它虽与正弦波电压幅值等效，但实际上是由一系列矩形波组成，由于电机绕组匝间电压变化率du/dt很高，电机绕组的电压分布变得很不均匀，使绕组匝间短路的故障增加。从我厂变频控制电机的故障情况来看，几乎全是由匝间短路引起，由此可见，变频控制对电机的绝缘等级的要求更高。
（2）115kW电机发热原因分析
115kW电机发热除上述原因外，还由于该电机长期运行在粉尘含量较高的环境中，未定期清扫，造成定转子风道堵塞，致使气流不畅，散热效果降低，尤其是夏季，环境温度高，电机工作温度大大增加，导致电机过热烧毁。
（3）代用电机过热原因分析
除因高次谐波引起损耗增加，造成过热外，主要原因还是电机工作频率太低。
代用电机工作频率仅为25Hz，电机的工作转速为额定转速的50%，这对于单靠自扇风冷的电机来说，散热条件恶化。另外，从电机参数看，代换电机的重量，约为原电机重量的81.7%。热流量与电机重量成正比，吸收相同的热量，重量轻的130kW电机的温升比115kW电机温升要高，而两个电机的外表面积基本相同，即散热系数相同，对于电机发出相同的热量，代用电机的稳定温升要高出原电机。
3 对策
（1）合理选用变频控制电机，原电机如果工作频率达不到30Hz，在峰值电流不致引起过电流保护动作的情况下，可以极数更高的电机替代，尤其对于恒转矩负载要适当加大电机的功率等级与电机极数，以提高其带载能力；有条件的地方，应采用变频专用电机。
（2）加强电机的计划检修，尤其在夏季来临前，要对定转子风道进行清扫，改善电机的散热条件。在夏季时应采用外加风机对电机强迫风冷。
（3）将电子过热保护器的整定值调小，配外加热过载继电器，最好在电机绕组内配PTC热保护。
（4）提高电机的绝缘材料等级，如在电机检修时，将B级绝缘提高为F级绝缘，以提高匝间绝缘性能及绕组的耐热能力，这样可从根本上解决变频控制电机使用寿命短的问题。
（5）尽可能提高电机的运行频率。针对一泵站电机运行频率低的问题，将原传动皮带轮改为小皮带轮，通过计算其运行频率可达到30Hz以上，使用证明电机工作频率30Hz以上时，基本可以解决变频电机的散热问题。
在对油隔泵电机采取加强计划笔录，夏季强迫风冷及提高运行频率等手段以后，基本上保证油隔泵电机的平稳运行，满足了生产需要。