变频器供电的电动机温升试验

范 晓 君

(中国船级社上海分社， 上海 200135)

0 引 言

随着目前国内外造船业的发展，由变频器驱动的电动机在船舶上的应用也逐渐广泛，变频电动机主要用于电力推进电动机、起重用电动机等。通常变频电动机的实际运行工况较为复杂。与由交流发电机供电、频率为固定的电源相比，变频器输出的电压谐波含量高、脉冲频率高且上升沿陡直，从而容易导致电机温升偏高。

1 可用于变频器驱动的电动机的种类

标准笼型感应电动机用于一般用途。该类电动机通常在恒频正弦波供电电压下运行，但也适用于变频器供电系统(普通电动机)。

笼型感应电动机用于变频供电。该类电动机在标准笼型感应电动机基础上改造以适应变频供电系统(变频电动机)。

2 《钢规》及IEC对电动机的负载试验和温升测量的要求

2．1 《钢规》第四篇第三章3.2.9.9要求

电动机应在额定输出功率、额定电压、额定频率和额定工作制下，按标准IEC 60034-1《2004-04旋转电机定额及性能》出版物规定的试验方法或者采用其他等效的试验方法进行额定负载试验。试验结束后测量其温升，其温升限值应不超过表1中的规定。

表1 空气间接冷却绕组的温升限值 K

由于变频器供电电动机具备调速特性，其温升还与负载工作制、变频电源等有关，实际使用中变频电动机的功率、电压、频率的变化较为复杂。而《钢规》所要求的额定电压、额定功率、额定频率并不适合变频电动机，也不能反映电动机真实的温升情况。

2.2 IEC 60034-1中要求

IEC 60034-1 的7.2.1.2条提及“对用静止变流电源供电的交流电动机，应容许较高的电源电压谐波量”，并规定了符合IEC 60034-12《单速三相笼型感应电动机起动性能》标准的 N设计和H设计的50 Hz或60 Hz单速三相笼型感应电动机(额定电压小于1 000 V、直接或Y-△起动、S1工作制)应满足IEC 60034-17《变频器供电的笼型感应电动机应用导则》标准要求。对于由变频器供电专门设计的电动机应执行IEC 60034-25《变频器供电笼型感应电动机设计和性能导则》标准规定。

IEC 60034-1的5.1条提及“当对用静止变流器馈电或供电的电机规定定额时，应另作专门考虑”。无论IEC 60034-17或IEC 60034-25，都是变频器供电的笼型感应电动机的应用、设计和性能导则，并且该技术规范在引言中申明了对参量规定数值或限制超出标准的范围和目的，引用的量值为提示性质，供使用者参考。

3 影响变频器驱动的电动机温升的因素

变频器驱动时，影响电动机温升的主要因素有电动机的冷却方式、负载转矩与转速的关系及变频器输出电压或电流波形的谐波含量等。

3.1 电动机的冷却方式

电动机的散热与转速和冷却方式密切相关。电动机的典型冷却方式有自然循环、通道循环、利用热交换(包括电动机机座)。常见的形式有自然冷却、轴装风扇冷却、强迫风冷及水冷等。

通常水冷及强迫风冷冷却方式不受转速及工作制变化的影响，而自然冷却及轴装风扇冷却方式受电动机转速变化的影响较大。

在工频与变频起动时，电动机的发热与温升情况也不一样。工频与变频起动时起动电流与时间的关系特性如图1所示。

图1 工频-变频下异步电动机起动电流与时间关系图

从图1可知，工频起动特性在于起动电流大(可能4～7倍额定电流)，但起动转矩很大，所以起动时间较短。但对电机机械冲击大，影响使用寿命。

变频起动特性在于起动电流小，但起动转矩也小，起动过程平缓，起动时间较长。对于采用轴装风扇冷却方式的电动机，其散热也较难得到保证。

3.2 负载转矩与转速的关系曲线

在实际使用中存在如电动机长期保持低转速、恒转矩调速等工况。如果电机采用的是轴装风扇或者自然冷却或设计上热裕度小的话，应增加在电动机所在变频传动系统的基本频率(能够传送最大输出功率的最低频率)下进行的温升试验。而作为主推进系统的变频电动机，在船舶的低速航行时，应考虑低转速下绕组的发热是否超过其标称的热分级温升限值。

考虑到一般轴装风扇风量变化与转速比的一次方成正比，功率变化与转速比的三次方成正比。对于在低转速时要求低转矩的负载，如果电动机功率较小，从风量变化与转速比的关系中可以看出，通常没有太大的问题。经验上，机座号315或355及以上的电机温升试验应考虑低频工况下的温升。

在实际工况下，根据负载的变化，电动机有在满负荷且恒速下运行；在低于满载转矩且低速的情况下运行；升高转速、在过载的情况下运行三种情况。当电动机过载时，需要考虑电动机的发热情况是否能够满足绝缘等级的要求。必要时可行温升试验，试验时应对电动机所运行的工作制进行确定，可参考IEC 60034-1 推荐的S10工作制进行模拟试验。

通常在不同的负载下，正弦波供电情况下的温度曲线变化较小，如图2所示，而变频器供电的温度曲线波动较大，如图3所示。由此可见，对于变频器供电的电动机在调速传动运行时，应考虑其负载工作制。

调速传动运行的负载电流-时间曲线图较复杂，而且电流幅值、持续时间和重复频率也各不相同。但是，通过分析研究负载电流-时间曲线图，通常用于确定作为额定电流基础的最适合的负载工作制类型。

图2 正弦波供电不同负载下的温度曲线

图3 变频器供电不同负载下的温度曲线

推荐的负载工作制类型有：(1)均衡负载工作制；(2)间歇峰值负载工作制；(3)间歇负载工作制；(4)有空载期的问歇负载工作制；(5)重复性负载工作制；(6)非重复性负载工作制。

3.3 变频器供电时施加于电动机的电压或电流波形的谐波

图4 电流型变频器供电时电动机相电流典型波形

按工作原理进行分类，一般变频器可以分为电流型变频器和电压型变频器。电流型变频器供电时电动机相电流典型波形如图4所示。电压型变频器供电电动机线电压典型波形如图5所示。由图4和图5可知，不论是电流型变频器和电压型变频器，在输出的电流或电压波形中，均含有一系列的高次谐波。

图5 电压型变频器供电电动机线电压典型波形

变频器供电时，这些电压或电流的高次谐波会在电机中产生如下损耗：

(1)定转子绕组附加损耗(附加损耗由变频器的工作方式决定)；

(2)定子附加铁耗(附加损耗由变频器的工作方式决定)；

(3)传动系统的额定值(即趋肤效应的影响，与电动机尺寸和工艺及变流器的纹波有关)。

变频器供电时电动机损耗与频率和供电电源类型的对比关系曲线如图6所示。由图6可知，由于高次谐波电压和电流产生的附加损耗，变频器供电时电动机所产生的损耗较正弦波供电时为大，这些损耗转化为热量，可造成电动机的温升会相应的增加。

图6 电动机损耗与频率和供电电源类型的关系

电动机的运行性能与变频器的特性和品质密切相关。不同类型的变频器，其输出的电压或电流谐波成分存在较大的差异，所以在变频器供电下电动机的温升试验必须考虑选择合适的变频器。

4 结 语

综上所述，变频器供电时电动机的温升与冷却方式、负载工作制、变频电源关系密不可分。建议在变频器供电时的电动机温升试验，应考虑如下的情况：

(1)试验电源所选择的变频器电源，该变频器特性应与该型号电动机配套使用的变频器特性相一致；

(2)应在不同功率、不同变频器供电、不同负载工作制、不同散热方式进行温升试验，以验证电动机的温升是否满足规范要求；

(3)在变频器供电试验报告或试验大纲中，应注明试验电源的类型(比如变频器供电则应注明变频器型号)、负载工作制类型、冷却方式等；

(4)在变频器供电的电动机产品明细中，注明变频器型号、负载工作制类型、冷却方式等。

基于以上的分析以及变频器驱动电动机在船舶上的应用日趋普及广泛的情况，建议在CCS《钢质海船入级规范》中增加对变频器供电的电动机温升试验的相关要求。

【参考文献】

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