變頻器供電的電動機溫升試驗

范 曉 君

(中國船級社上海分社， 上海 200135)

0 引 言

隨著目前國內外造船業的發展，由變頻器驅動的電動機在船舶上的應用也逐漸廣泛，變頻電動機主要用于電力推進電動機、起重用電動機等。通常變頻電動機的實際運行工況較為復雜。與由交流發電機供電、頻率為固定的電源相比，變頻器輸出的電壓諧波含量高、脈沖頻率高且上升沿陡直，從而容易導致電機溫升偏高。

1 可用于變頻器驅動的電動機的種類

標準籠型感應電動機用于一般用途。該類電動機通常在恒頻正弦波供電電壓下運行，但也適用于變頻器供電系統(普通電動機)。

籠型感應電動機用于變頻供電。該類電動機在標準籠型感應電動機基礎上改造以適應變頻供電系統(變頻電動機)。

2 《鋼規》及IEC對電動機的負載試驗和溫升測量的要求

2．1 《鋼規》第四篇第三章3.2.9.9要求

電動機應在額定輸出功率、額定電壓、額定頻率和額定工作制下，按標準IEC 60034-1《2004-04旋轉電機定額及性能》出版物規定的試驗方法或者采用其他等效的試驗方法進行額定負載試驗。試驗結束后測量其溫升，其溫升限值應不超過表1中的規定。

表1 空氣間接冷卻繞組的溫升限值 K

由于變頻器供電電動機具備調速特性，其溫升還與負載工作制、變頻電源等有關，實際使用中變頻電動機的功率、電壓、頻率的變化較為復雜。而《鋼規》所要求的額定電壓、額定功率、額定頻率并不適合變頻電動機，也不能反映電動機真實的溫升情況。

2.2 IEC 60034-1中要求

IEC 60034-1 的7.2.1.2條提及“對用靜止變流電源供電的交流電動機，應容許較高的電源電壓諧波量”，并規定了符合IEC 60034-12《單速三相籠型感應電動機起動性能》標準的 N設計和H設計的50 Hz或60 Hz單速三相籠型感應電動機(額定電壓小于1 000 V、直接或Y-△起動、S1工作制)應滿足IEC 60034-17《變頻器供電的籠型感應電動機應用導則》標準要求。對于由變頻器供電專門設計的電動機應執行IEC 60034-25《變頻器供電籠型感應電動機設計和性能導則》標準規定。

IEC 60034-1的5.1條提及“當對用靜止變流器饋電或供電的電機規定定額時，應另作專門考慮”。無論IEC 60034-17或IEC 60034-25，都是變頻器供電的籠型感應電動機的應用、設計和性能導則，并且該技術規范在引言中申明了對參量規定數值或限制超出標準的范圍和目的，引用的量值為提示性質，供使用者參考。

3 影響變頻器驅動的電動機溫升的因素

變頻器驅動時，影響電動機溫升的主要因素有電動機的冷卻方式、負載轉矩與轉速的關系及變頻器輸出電壓或電流波形的諧波含量等。

3.1 電動機的冷卻方式

電動機的散熱與轉速和冷卻方式密切相關。電動機的典型冷卻方式有自然循環、通道循環、利用熱交換(包括電動機機座)。常見的形式有自然冷卻、軸裝風扇冷卻、強迫風冷及水冷等。

通常水冷及強迫風冷冷卻方式不受轉速及工作制變化的影響，而自然冷卻及軸裝風扇冷卻方式受電動機轉速變化的影響較大。

在工頻與變頻起動時，電動機的發熱與溫升情況也不一樣。工頻與變頻起動時起動電流與時間的關系特性如圖1所示。

圖1 工頻-變頻下異步電動機起動電流與時間關系圖

從圖1可知，工頻起動特性在于起動電流大(可能4～7倍額定電流)，但起動轉矩很大，所以起動時間較短。但對電機機械沖擊大，影響使用壽命。

變頻起動特性在于起動電流小，但起動轉矩也小，起動過程平緩，起動時間較長。對于采用軸裝風扇冷卻方式的電動機，其散熱也較難得到保證。

3.2 負載轉矩與轉速的關系曲線

在實際使用中存在如電動機長期保持低轉速、恒轉矩調速等工況。如果電機采用的是軸裝風扇或者自然冷卻或設計上熱裕度小的話，應增加在電動機所在變頻傳動系統的基本頻率(能夠傳送最大輸出功率的最低頻率)下進行的溫升試驗。而作為主推進系統的變頻電動機，在船舶的低速航行時，應考慮低轉速下繞組的發熱是否超過其標稱的熱分級溫升限值。

考慮到一般軸裝風扇風量變化與轉速比的一次方成正比，功率變化與轉速比的三次方成正比。對于在低轉速時要求低轉矩的負載，如果電動機功率較小，從風量變化與轉速比的關系中可以看出，通常沒有太大的問題。經驗上，機座號315或355及以上的電機溫升試驗應考慮低頻工況下的溫升。

在實際工況下，根據負載的變化，電動機有在滿負荷且恒速下運行；在低于滿載轉矩且低速的情況下運行；升高轉速、在過載的情況下運行三種情況。當電動機過載時，需要考慮電動機的發熱情況是否能夠滿足絕緣等級的要求。必要時可行溫升試驗，試驗時應對電動機所運行的工作制進行確定，可參考IEC 60034-1 推薦的S10工作制進行模擬試驗。

通常在不同的負載下，正弦波供電情況下的溫度曲線變化較小，如圖2所示，而變頻器供電的溫度曲線波動較大，如圖3所示。由此可見，對于變頻器供電的電動機在調速傳動運行時，應考慮其負載工作制。

調速傳動運行的負載電流-時間曲線圖較復雜，而且電流幅值、持續時間和重復頻率也各不相同。但是，通過分析研究負載電流-時間曲線圖，通常用于確定作為額定電流基礎的最適合的負載工作制類型。

圖2 正弦波供電不同負載下的溫度曲線

圖3 變頻器供電不同負載下的溫度曲線

推薦的負載工作制類型有：(1)均衡負載工作制；(2)間歇峰值負載工作制；(3)間歇負載工作制；(4)有空載期的問歇負載工作制；(5)重復性負載工作制；(6)非重復性負載工作制。

3.3 變頻器供電時施加于電動機的電壓或電流波形的諧波

圖4 電流型變頻器供電時電動機相電流典型波形

按工作原理進行分類，一般變頻器可以分為電流型變頻器和電壓型變頻器。電流型變頻器供電時電動機相電流典型波形如圖4所示。電壓型變頻器供電電動機線電壓典型波形如圖5所示。由圖4和圖5可知，不論是電流型變頻器和電壓型變頻器，在輸出的電流或電壓波形中，均含有一系列的高次諧波。

圖5 電壓型變頻器供電電動機線電壓典型波形

變頻器供電時，這些電壓或電流的高次諧波會在電機中產生如下損耗：

(1)定轉子繞組附加損耗(附加損耗由變頻器的工作方式決定)；

(2)定子附加鐵耗(附加損耗由變頻器的工作方式決定)；

(3)傳動系統的額定值(即趨膚效應的影響，與電動機尺寸和工藝及變流器的紋波有關)。

變頻器供電時電動機損耗與頻率和供電電源類型的對比關系曲線如圖6所示。由圖6可知，由于高次諧波電壓和電流產生的附加損耗，變頻器供電時電動機所產生的損耗較正弦波供電時為大，這些損耗轉化為熱量，可造成電動機的溫升會相應的增加。

圖6 電動機損耗與頻率和供電電源類型的關系

電動機的運行性能與變頻器的特性和品質密切相關。不同類型的變頻器，其輸出的電壓或電流諧波成分存在較大的差異，所以在變頻器供電下電動機的溫升試驗必須考慮選擇合適的變頻器。

4 結 語

綜上所述，變頻器供電時電動機的溫升與冷卻方式、負載工作制、變頻電源關系密不可分。建議在變頻器供電時的電動機溫升試驗，應考慮如下的情況：

(1)試驗電源所選擇的變頻器電源，該變頻器特性應與該型號電動機配套使用的變頻器特性相一致；

(2)應在不同功率、不同變頻器供電、不同負載工作制、不同散熱方式進行溫升試驗，以驗證電動機的溫升是否滿足規范要求；

(3)在變頻器供電試驗報告或試驗大綱中，應注明試驗電源的類型(比如變頻器供電則應注明變頻器型號)、負載工作制類型、冷卻方式等；

(4)在變頻器供電的電動機產品明細中，注明變頻器型號、負載工作制類型、冷卻方式等。

基于以上的分析以及變頻器驅動電動機在船舶上的應用日趨普及廣泛的情況，建議在CCS《鋼質海船入級規范》中增加對變頻器供電的電動機溫升試驗的相關要求。

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