變頻調(diào)速技術(shù)使三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)速和顯著的節(jié)能效果，然而變頻器輸出的非正弦電源也給電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行帶來了多方面的影響。下面從損耗與溫升、絕緣應(yīng)力、振動(dòng)噪聲、軸電流以及低轉(zhuǎn)速冷卻等五個(gè)維度，分析變頻器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的具體影響及相應(yīng)緩解對(duì)策。

一、損耗增加與溫升升高

無論何種形式的變頻器，在運(yùn)行中均會(huì)產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流，使電動(dòng)機(jī)在非正弦電壓、電流下運(yùn)行。以目前普遍使用的正弦波PWM型變頻器為例，其低次諧波基本為零，但存在比載波頻率大一倍左右的高次諧波分量。

這些高次諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗及附加損耗的增加，其中最為顯著的是轉(zhuǎn)子銅耗。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)以接近基波頻率對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，高次諧波電壓以較大的轉(zhuǎn)差切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條后，會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)子損耗，此外還需考慮集膚效應(yīng)所產(chǎn)生的附加銅耗。這些損耗使電動(dòng)機(jī)額外發(fā)熱、效率降低、輸出功率減小。將普通三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于變頻器輸出的非正弦電源條件下，其溫升一般要增加10%~20%。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，變頻器輸出的電壓波形總諧波畸變率（THD）可達(dá)10%~15%，遠(yuǎn)高于電網(wǎng)供電時(shí)的2%~3%，高頻諧波會(huì)導(dǎo)致電機(jī)繞組溫升提高8~15℃。

在緩解對(duì)策方面，可在變頻器輸出側(cè)加裝du/dt濾波器或正弦波濾波器：du/dt濾波器可將電壓上升率限制在500V/μs以內(nèi)，加裝后電機(jī)繞組溫升可降低5~8℃；正弦波濾波器可將PWM波形轉(zhuǎn)換為近似正弦波，THD控制在5%以內(nèi)。同時(shí)，適當(dāng)調(diào)試載波頻率參數(shù)——適度提高載波頻率可降低高次諧波含量、減小電機(jī)損耗，但載波頻率過高會(huì)加劇電動(dòng)機(jī)的沖擊電壓，對(duì)絕緣不利，且變頻器自身損耗也會(huì)增大，因此不宜設(shè)置過高。此外，選用變頻專用電動(dòng)機(jī)，其電磁設(shè)計(jì)針對(duì)非正弦電源進(jìn)行了優(yōu)化，也是有效降低損耗和溫升的根本措施。

二、絕緣系統(tǒng)承受更高電應(yīng)力

目前中小型變頻器多采用PWM控制方式，載波頻率約為幾千到十幾千赫，使電動(dòng)機(jī)定子繞組承受很高的電壓上升率（dv/dt）。實(shí)測顯示，PWM波形的dv/dt通?？蛇_(dá)5000V/μs以上，這對(duì)電機(jī)絕緣系統(tǒng)造成累積性損傷。

dv/dt過高的影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。

第一，陡峭的沖擊電壓使電動(dòng)機(jī)的匝間絕緣承受嚴(yán)酷考驗(yàn)，持續(xù)的過電壓以及過高的du/dt會(huì)造成繞組匝間和相間絕緣承受不均勻的電壓分布，加速絕緣老化，甚至導(dǎo)致絕緣擊穿。

第二，PWM變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電壓上，對(duì)電動(dòng)機(jī)對(duì)地絕緣構(gòu)成威脅，在高壓反復(fù)沖擊下加速老化。

第三，變頻器輸出端的高頻開關(guān)導(dǎo)致共模電壓通過電機(jī)對(duì)地電容與屏蔽路徑流動(dòng)，形成共模電流，使絕緣應(yīng)力和局部放電概率上升。長期運(yùn)行下，局部放電現(xiàn)象會(huì)加速絕緣老化，對(duì)額定電壓380V的普通電機(jī)，其絕緣壽命可能縮短30%~50%。

針對(duì)上述問題，可選用變頻專用電機(jī)，這類電機(jī)采用三重絕緣系統(tǒng)（相間、匝間、對(duì)地），絕緣材料耐溫等級(jí)通常達(dá)到F級(jí)（155℃）以上。在變頻器輸出端加裝du/dt濾波器或正弦波濾波器，可有效降低輸出電壓的dv/dt。同時(shí)建議定期進(jìn)行絕緣檢測，每季度使用極化指數(shù)測試儀檢測絕緣狀況，當(dāng)極化指數(shù)（PI）低于1.5時(shí)應(yīng)引起警惕。

三、諧波引發(fā)振動(dòng)與噪聲復(fù)雜化

普通異步電動(dòng)機(jī)采用變頻器供電時(shí)，會(huì)使由電磁、機(jī)械、通風(fēng)等因素引起的振動(dòng)和噪聲變得更加復(fù)雜。變頻電源中含有的各次時(shí)間諧波與電動(dòng)機(jī)電磁部分的固有空間諧波相互干涉，形成各種電磁激振力。當(dāng)電磁力波的頻率和電動(dòng)機(jī)機(jī)體的固有振動(dòng)頻率一致或接近時(shí)，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而加大噪聲。

從作用機(jī)理看，變頻器輸出中的低次諧波分量與轉(zhuǎn)子固有機(jī)械頻率諧振，會(huì)使轉(zhuǎn)子固有頻率附近的噪聲增大；高次諧波分量與鐵心、機(jī)殼、軸承架等諧振，在這些部件的各自固有頻率附近處噪聲增大。變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的刺耳噪聲與PWM控制的開關(guān)頻率有關(guān)，尤其在低頻區(qū)更為顯著。對(duì)振動(dòng)影響較大的主要是較低次諧波分量，在PAM方式和方波PWM方式時(shí)影響較大，采用正弦波PWM方式時(shí)低次諧波分量較小，影響相應(yīng)變小。

在抑制措施方面，可在變頻器輸出側(cè)接入交流電抗器，吸收變頻器輸出電流中的高次諧波電流成分。使用PAM方式或方波PWM方式變頻器時(shí)，可改用正弦波PWM方式變頻器，以減小脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。如果電磁轉(zhuǎn)矩有余量，可將U/f設(shè)定小些。對(duì)于在較低頻段噪聲嚴(yán)重的情況，需要檢查軸系統(tǒng)（含負(fù)載）的固有頻率，避免電磁激振力頻率與機(jī)械固有頻率重合。

四、軸電流引發(fā)軸承電腐蝕

軸電流是變頻驅(qū)動(dòng)中一個(gè)隱蔽但危害顯著的問題。變頻器輸出為PWM高頻脈沖，電壓上升沿陡峭，通過電機(jī)定子繞組與轉(zhuǎn)子之間的寄生電容耦合，在轉(zhuǎn)軸上感應(yīng)出高頻軸電壓。當(dāng)軸電壓超過軸承潤滑膜的擊穿閾值（約15~20V）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放電電流，導(dǎo)致軸承出現(xiàn)典型的"搓衣板"狀電蝕紋。實(shí)測案例顯示，未采取防護(hù)措施的變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸承壽命可能縮短至原設(shè)計(jì)的1/3。

軸電流產(chǎn)生的具體路徑為：變頻器→定子繞組→寄生電容（定子-轉(zhuǎn)子）→轉(zhuǎn)軸→軸承→機(jī)殼→地。變頻器輸出典型dv/dt可達(dá)500~4000V/μs，共模電壓作用下產(chǎn)生的軸電壓可達(dá)10~30V。危害包括軸承點(diǎn)蝕（電化學(xué)燒蝕）、潤滑脂電解變質(zhì)加速機(jī)械磨損，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致軸承卡死甚至電機(jī)掃膛燒毀。

目前工程上抑制軸電流的措施主要有三類路徑。

扼流限制：在變頻器輸出端放置扼流磁環(huán)或扼流線圈，抑制共模電流。

絕緣阻斷：在非驅(qū)動(dòng)端軸承內(nèi)圈或外圈加裝絕緣涂層軸承（如陶瓷或特氟龍），或在電機(jī)與負(fù)載間加裝絕緣聯(lián)軸器，完全阻斷軸電流通路。

旁路疏導(dǎo)：在軸端安裝接地碳刷，將軸電壓導(dǎo)走（需定期維護(hù)）。

對(duì)于變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)，絕緣軸承與共模濾波的組合是常用的綜合治理方案。此外，在變頻器輸出端加裝共模濾波器、降低開關(guān)速率、采用對(duì)稱磁路設(shè)計(jì)以及使用對(duì)稱屏蔽電纜等措施，也能有效減少軸電壓和軸電流的產(chǎn)生。

五、低轉(zhuǎn)速時(shí)冷卻能力顯著下降

普通異步電動(dòng)機(jī)大多采用自帶風(fēng)扇的自扇冷卻方式，冷卻風(fēng)扇與電動(dòng)機(jī)同軸，冷卻風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的三次方成比例變化。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在低頻低速運(yùn)行時(shí)，冷卻風(fēng)量急劇減小，導(dǎo)致低速冷卻狀況顯著惡化，溫升急劇增加，難以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。與此同時(shí)，電源頻率較低時(shí)，高次諧波引起的損耗也相對(duì)較大，進(jìn)一步加劇了低速區(qū)的發(fā)熱問題。電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行后其溫升增加幾乎不可避免，特別是普通電動(dòng)機(jī)在30Hz以下運(yùn)行時(shí)，極易發(fā)生過熱現(xiàn)象。

針對(duì)這一問題的對(duì)策，應(yīng)從提高散熱能力和減少發(fā)熱兩方面著手。在提高散熱能力方面，可選用變頻專用電動(dòng)機(jī)或采用強(qiáng)迫通風(fēng)式電動(dòng)機(jī)（他扇冷式），在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)仍能保持足夠的冷卻風(fēng)量；也可改造原有設(shè)備另設(shè)獨(dú)立冷卻風(fēng)扇。在減少發(fā)熱方面，可在變頻器輸出側(cè)加裝濾波器以改善諧波性能、合理調(diào)試載波頻率參數(shù)減小各種損耗、適度降低變頻器輸出電壓（減小U/f給定）以及適當(dāng)提高電機(jī)和變頻器容量、減小負(fù)載系數(shù)。如果生產(chǎn)工藝允許，限制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的最低頻率，保證自扇冷式電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的冷卻能力，也是一種簡單有效的方法。

六、綜合對(duì)策

上述多方面影響的根本原因，在于普通異步電動(dòng)機(jī)是按照恒頻恒壓設(shè)計(jì)的，無法完全適應(yīng)變頻調(diào)速的要求。綜合而言，針對(duì)變頻器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的各種不利影響，可采取以下系統(tǒng)性對(duì)策：

硬件層面，加裝各類濾波器是核心手段：在變頻器輸出側(cè)加裝輸出電抗器或du/dt濾波器，可有效抑制dv/dt并降低諧波損耗；加裝正弦波濾波器可使輸出波形趨近正弦波，從根本上改善諧波問題；在變頻器輸入端與輸出端串接合適的電抗器，或安裝LC型諧波濾波器，可吸收諧波并增大電源或負(fù)載阻抗。

電機(jī)選型層面，在變頻調(diào)速應(yīng)用中應(yīng)優(yōu)先選用變頻專用電動(dòng)機(jī)，其對(duì)非正弦電源具有良好的適應(yīng)能力。若條件有限，至少應(yīng)對(duì)現(xiàn)有電機(jī)進(jìn)行改造，如采用他扇冷式冷卻方式。

參數(shù)調(diào)試與運(yùn)維層面，應(yīng)合理設(shè)置變頻器載波頻率參數(shù)，建立定期檢測制度，包括絕緣檢測（極化指數(shù)測試）、軸電壓/軸電流監(jiān)測、振動(dòng)與溫度監(jiān)測等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理潛在問題。

采取上述綜合防護(hù)方案，雖初期投資約增加25%，但能耗可降低8%~12%，維護(hù)成本可減少40%，在設(shè)備全壽命周期內(nèi)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。