谐波引发变频电机烧毁故障

【摘 要】通过对多台交流调速电机因匝间短路烧毁现象测试分析,探讨了变频控制系统中谐波对电网元件的影响,并例举了变频器侧和电机侧电压波形进行分析对比,提出了解决措施.

【关 键 词 】S120变频器；谐波；浪涌电压；正弦波滤波器

1.前言

某钢厂横移台架运输链使用6台西门子S120变频器控制的电机,额定功率185KW,额定电压690V,额定电流245A.使用过程中连续出现电机启动时S120变频器AOP控制面板报过流故障,且无论如何操控,电机均不能启动运行,检查测量电机各相间电阻分别为34.17毫欧、28.97毫欧、30.33毫欧、电角度17,由此判定电机内部匝间短路烧毁.初步分析,上述故障与谐波有关,为此对输电线路进行了详细测试与改造.

2.原因分析与测试

经过现场实地考察,运用示波器测量记录电压波形,发现6台电机的安装位置、电机构造、传动系统存在以下特点：

（1）电机电缆长度较长.驱动系统安装在电气室,从电气室到电机的电缆长度均在200米以上.由于变频器的输出波形是具有陡上升沿和陡下降沿（0.1-0.5us）的脉冲波,当变频器将工频正弦波转化成脉冲波以后,该列脉冲波从变频器通过电缆传到电机的接线端,由于电缆与电机之间的阻抗不匹配将产生反射波.反射波反馈又产生二次反射,二次反射波与原始脉冲电压波叠加,当叠加的脉冲电压传输到电机时,就会产生一个尖峰电压.尖峰电压的大小取决于电缆的长度和脉冲电压上升沿时间.通常电缆长度增加时,电线两端都产生过电压,电机端的过电压幅值随电缆长度增加而增加,不趋于饱和.而6台电机的动力电缆均在200米以上,长距离导致反射波的增加,产生的尖峰电压反复冲击电机线圈,最终造成绝缘损坏.

（2）电机电源存在高次谐波.由于S120变频装置采用交-直-交控制,变频器输出的电压、电流波形均存在高次谐波.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,导致电机绝缘性能降低.

（3）运用示波器测量记录电压波形.

由上图可以看出电机在逆变器输出侧峰值电压为1540V,超出正常值54%.经过3--4个震荡周期后电压趋于正常,峰峰电压为2100V.电机输入侧峰值电压为1800V,超出正常电压67%.经过3—4个震荡周期后电压趋于正常,峰峰电压为2600V.

测试结果综述：

（1）在电机输入侧在脉冲方波发生严重畸变,脉冲上升沿与下降沿发生剧烈震荡,而且在脉冲方波上面叠加了尖峰电压,整个电压峰值超过了2200V.DU/DT值也增大了,可达1200 V/μS.

（2）由于示波器检测的波形为瞬时抓取,实际运行过程中可能会出现更高的尖峰电压,DU/DT值可能也会更高.故电机长期运行在此环境下击穿概率极高.

3.改造措施

在6台运输链电机逆变器输出侧增加带阻容吸收回路的正弦波滤波器,并且一台电机一套滤波器选型方案,可将正弦波滤波器安装于控制柜内,进线侧分别与S120变频器输出端相连,出线侧通过长距离电缆与电机连接.正弦波滤波器将PWM调制波滤成近似正弦的电压波形,正弦波滤波器由高频出相电抗器,RC回路,共模电抗器组成.正弦波滤波器是利用LC回路将逆变器输出高频载波频率滤除,只剩余基波频率50Hz.这样在滤波器输出侧不会存在高频谐波反射效应.使用该装置可以有效的抑制高频损耗及DU/DT射频干扰,并使电机和逆变器的线缆延长至500米以上,对于大功率变频器甚至可达3千米.

4.效果验证

为更好地检验滤波器的滤波效果,我们选择在损坏电机最频繁的4#横移台架输入运输链1#电机做试验,安装了一台正弦波滤波器,试车运行正常.

由以上测试结果可以看出：在增加滤波器后,电压波形由高频方波被整定成为近似的正弦波,在电机工作在恒转矩状况时输出电压随转速提升到最高转速（743RPM）而线性上升至直流侧电压980V（经过滤波器后会有压降,大约3%-5%,此部分能量由滤波器损耗）.比未加装滤波器的电压降低800V,降幅达到80%.

尖峰电压的能量比相同幅值的方波能量成几何倍数降低,所以在相同电压幅值的情况下,经过滤波器滤波后的尖峰电压对电机绝缘的冲击已几乎没有,滤波效果非常明显.

5.结语

西门子S120变频器谐波浪涌电压的抑制与预防项目完成后,有效地解决了变频电机由于浪涌电压导致频繁烧毁的现象,节省了更换电机导致的停机时间和备件费用,提高了变频器系统运行可靠性,具有较好的应用前景和推广价值.