摘要：隨著變頻調速技術的蓬勃發展，變頻器供電電機的溫升問題已引起人們的廣泛關注。本文首先討論了電動機的溫升限度；然后結合感應電機溫升實驗的相關數據分析了變頻器供電對電動機溫升的影響及其原因；最后從降低發熱量和提高散熱能力兩方面提出緩解電機溫升的措施，并指出了實際應用中應注意的問題。
關鍵詞： 變頻器；感應電動機；溫升

1 引言

為節約能源和改善工藝控制，越來越多的工業過程利用變頻器來提高生產系統的綜合效率。變頻器輸出的PWM脈沖電壓諧波成分豐富、脈沖頻率高且上升沿陡直，這種狀況與用50Hz的交流正弦波驅動電動機的狀況大不相同，在能量轉換過程中，電動機內部將不可避免地產生損耗，使電動機的溫度升高。當溫升超過最高容許工作溫度時，電動機的使用壽命將大幅縮短。為此，研究電動機的溫升問題及其緩解對策是十分重要的。此外，由于電機結構復雜，散熱條件不同，電機內部各個部分的溫度分布和溫升也不完全相同[1]，然而目前卻很少有具體的數據資料可供參考。

本文首先介紹電動機的溫升限度，然后通過試驗數據和原理分析相結合的方法說明變頻器供電條件下電動機的溫升問題，進而介紹緩解溫升的對策。

2 電動機的溫升限度

電動機中常用的絕緣材料，按其耐熱能力，分為A、E、B、F和H等五級。A級絕緣采用經過浸漬或使用時浸于油中的棉紗、絲和紙等有機材料，E級絕緣是聚脂樹脂、環氧樹脂及三醋酸纖維等制成的絕緣薄膜，B、F、H級絕緣的基本材料均為云母、石棉及玻璃纖維，但浸漬用漆的耐熱性能不同。表1列出各級絕緣的最高容許工作溫度。
表1 各級絕緣的最高容許工作溫度

上述耐熱能力是指可以長期在該溫度下使用。當工作溫度超過最高容許工作溫度時，使用壽命將迅速縮短。試驗表明，對A級絕緣，若一直處于90～95℃時，其使用壽命可達20年；當工作溫度在95℃以上時，溫度每增高8℃，絕緣的使用壽命就將減少一半（俗稱8℃定理）；例如一直工作在110℃，壽命就只有4～5年。

一般電動機多用E級和B級絕緣。要求在高溫場合下使用的電動機，如起重及冶金用電動機，常采用F級和H級絕緣。
電動機某一部分的溫度和周圍冷卻介質的溫度之差稱為該部件的溫升，一般用θ表示。當該部分所用絕緣材料確定后，部件的最高容許工作溫度就確定了，此時溫升限度就取決于冷卻介質的溫度。冷卻介質的溫度越高，容許的溫升就越低。

考慮到全國各地區和各個季節環境溫度的變化較大，國家標準GB755-87（電動機基本技術要求）明確規定，在海拔1000m以下時，環境空氣溫度規定為40℃，當最高環境溫度比40℃高出Δt0時(Δt0不超過20℃），溫升限度應相應地減低Δt0；如低于40℃時，溫升限度一般維持原值不變。當海拔在1000m以上，但不超過4000m時，溫升限度按試驗和使用地點的海拔差別進行校正[2]。

電動機試制以后，須進行溫升試驗以確定其實際溫升。由于不同的測量方法得到的測量結果不同，因此在規定溫升限度的同時，還應規定測溫方法。常用的測量方法有三種：溫度計法、電阻法和埋置檢溫計法。國標中所規定的部件容許最高溫度，也因測量方法不同而不同。例如環境空氣溫度為40℃時，采用B級絕緣的5000kW以下的交流電動機的交流繞組，其溫升限度規定為：電阻法—80℃；檢溫計法—90℃；加上環境溫度后，其值低于或等于B級材料的容許工作溫度。

3 變頻供電時電動機的溫升

對于變頻器供電電動機而言，由于高次諧波的存在，電機內部會產生以下附加損耗[3]：

（1）高次諧波帶來的定子和轉子附加銅損耗；
（2）高次諧波帶來的定子附加鐵耗；
（3）高次諧波帶來的附加雜散損耗；
（4）三相異步電動機在高頻下運行時，集膚效應使轉子電阻增加導致轉差銅耗顯著增加。

這些高次諧波電壓和電流產生的附加損耗，致使電動機溫升增大。

另一方面，對于普通標準電動機而言，冷卻風扇直接安裝在轉子軸上，電動機低頻運轉時冷卻效果大幅下降，更會加劇電動機溫升的提高。通常電動機溫升同冷卻風量產生的冷卻效果的關系為[4]：

式中，Q為冷卻風量，N為電動機轉速。如果電動機產生的損耗不變，溫升同轉速的0.4～0.5次方成反比。

總之，電動機特別是普通電動機在采用變頻器供電時，由于發熱和散熱兩方面因素會致使電動機溫升增大。電動機溫升增大影響繞組的使用壽命，限制電動機的輸出，嚴重的甚至會燒毀電動機。

文獻[1]介紹的實際測量溫升的實驗結果，對于了解電動機的溫度分布規律特別是變頻電源對電動機溫升的影響十分有用。以一臺三相4極230V，2.2kW的籠型感應電動機為實驗對象，分別采用典型的SPWM變頻器（運行在50Hz）和工頻正弦供電，將電機溫升情況作對比。采用專門的設計和制造方法，在電動機體內（定子、轉子、氣隙、殼體）安置或埋置了20個熱敏電阻傳感器（性能穩定、精度高），其中三個傳感器放置在轉子中。定子端部繞組傳感器位于定子繞組的徑向中心位置（位置1、位置10），一般地，取軸伸端和風扇端的兩個傳感器的溫度平均值作為最終溫度。

溫度傳感器布局如圖1所示。

圖1 溫度傳感器分布圖
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。

圖2 滿載條件下溫度曲線

圖3 不同負載條件下的溫度曲線