變頻器的出現為工業自動化控制⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾、電機節能帶來了革新ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ。工業生產中幾乎離不開變頻器✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，即使在日常生活中ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ，電梯웃유ღ♋♂、變頻空調也成為不可缺少的部分❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，變頻器已經開始滲入到生產㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉、生活的各個角落❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣。然而♀☿☼☀☁☂☄，變頻器也帶來了許多前所未有的困擾❣❦❧♡۵，其中損傷電機就是最典型的現象之一♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃，采用電抗器就能很好破解此類困擾❣❦❧♡۵。

很多人已經發現了變頻器對電機損傷的現象⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯。例如✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅，某水泵廠☾☽❄☃，近兩年來①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，他的用戶頻繁報告水泵在保修期內發生損壞的現象ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ。而過去❣❦❧♡۵，這個水泵廠的產品質量十分可靠☈⊙☉℃℉❅。經過調查♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃，發現這些損壞的水泵都是用變頻器驅動的☾☽❄☃。因此⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，理想的解決方案就是添加電抗器①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯。盡管變頻器損傷電機的現象越來越被人們所關注☾☽❄☃，但是人們對造成這種現象的機理還不清楚✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，更不知道如何來預防⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺。本文的目的是利用 電抗器解決這些困惑⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯。

1웃유ღ♋♂、變頻器對電機的損傷

變頻器對電機的損傷包括兩個方面✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅，定子繞組的損傷和軸承的損傷ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ，如圖1所示ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ。這種損傷一般發生在幾周至十幾個月內☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；，具體時間與變頻器的品牌①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯、電機的品牌♀☿☼☀☁☂☄、電機的功率✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅、變頻器的載波頻率❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰、變頻器與電機之間的電纜長度♀☿☼☀☁☂☄、環境溫度等諸多因素有關♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃。電機的早期意外損壞給企業的生產帶來巨大的經濟損失✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥。這種損失不僅是電機維修和更換帶來的費用ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ，更主要的是意外停產帶來的經濟損失☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；。因此✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，在使用變頻器驅動電機時⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，必須對電機損傷的問題有足夠的重視웃유ღ♋♂。

2❣❦❧♡۵、變頻器驅動與工頻驅動的區別

要了解工頻電機在變頻器驅動條件下更容易損壞的機理✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅，首先了解變頻器驅動電機的電壓與工頻電壓有什么區別☈⊙☉℃℉❅。然后再了解這種差別是如何對電機產生不良影響的❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣。變頻器的基本構造⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，包括整流電路與逆變電路兩部分㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂。整流電路為普通二極管與濾波電容構成的直流電壓輸出電路☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；，逆變電路將直流電壓變換成脈寬調制的電壓波形（PWM電壓）ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ。因此✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，變頻器驅動電機的電壓波形是脈寬變化的脈沖波形☈⊙☉℃℉❅，而不是正弦波電壓波形☈⊙☉℃℉❅。用脈沖電壓驅動電機就是導致電機容易損壞的根本原因⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓。電抗器性能******♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃！

3☈⊙☉℃℉❅、變頻器損傷電機定子繞組的機理

脈沖電壓在電纜上傳輸時♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃，如果電纜的電抗器阻抗與負載的阻抗不匹配㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦，在負載端會產生反射⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤。反射的結果是ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，入射波與反射波疊加⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺，形成更高的電壓⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺，它的幅度最大可以達到直流母線電壓的2倍ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，大約相當于變頻器輸入電壓的3倍㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦。過高的尖峰電壓加在電機定子的電抗器上♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃，對線圈造成電壓沖擊ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ，頻繁的過電壓沖擊會導致電機過早失效⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓。

變頻器驅動的電機受到尖峰電壓的沖擊后ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ，它的實際壽命與很多因素☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；，包括❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，度❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰、污染❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰、振動☈⊙☉℃℉❅、電壓①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯、載波頻率以及線圈絕緣的工藝等因素有關✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴。變頻器的載波頻率越高ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ，輸出電流波形越接近正弦波✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，這會降低電機的運行溫度ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ，從而延長絕緣的壽命⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓。但是㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂，更高的載波頻率意味著每秒鐘產生的尖峰電壓數量更多ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ，對電機的沖擊的次數更多㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉。圖4給出了絕緣壽命隨著電纜長度與載波頻率的變化⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾。對于200英尺長的電纜⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤，當載波頻率從3kHz提高到12kHz（變化4倍）時⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺，絕緣的壽命從大約8萬小時降低到2萬小時（相差4倍）✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥。電機的溫度越高ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ，絕緣的壽命越短❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，如圖5所示①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，當溫度升高到75?C時ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ，電機的壽命只有50%❣❦❧♡۵。變頻器驅動的電機電抗器ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，由于PWM電壓包含較多的高頻成份⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯，電機溫度會遠高于工頻電壓驅動的情況⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤。

4❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰、變頻器損傷電機軸承的機理

變頻器損傷電機軸承的原因是웃유ღ♋♂，有流過軸承的 電抗器電流⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤，并且這種電流處于斷續連通的狀態♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃，斷續連通的電路會產生電弧⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯，電弧燒毀了軸承✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴。導致交流電機的軸承中流過電流的原因主要有兩個❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，第一☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；，內部電磁場不平衡產生的感應電壓☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；，第二㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂，雜散電容引起的高頻電流通路❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣。

理想交流感應電機內部的磁場是對稱的⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾，當三相繞組的電流相等①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，并且相位相差120?時ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ，不會在電機的軸桿上感應出電壓❣❦❧♡۵。變頻器輸出的PWM電壓導致電機內部的磁場不對稱時①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，就會在軸桿上感應出電壓웃유ღ♋♂，電壓的幅度在10~30V⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯，這與驅動電壓有關ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ，電抗器驅動電壓越高웃유ღ♋♂，軸桿上的電壓越高ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ。當這個電壓的數值超過軸承中的潤滑油的絕緣強度時웃유ღ♋♂，就會形成一個電流通路㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉。軸桿旋轉過程中①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，在某個時刻⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯，潤滑油的絕緣又阻斷了電流⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯。這個過程類似于機械式開關的通斷過程✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，這個過程中會產生電弧ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ，燒蝕軸桿⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺、滾珠❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰、軸碗的表面✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅，形成凹坑ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ。如果沒有外部振動⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ，小凹坑不會產生過大的影響ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ，但是如果有外部振動時❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，會產生凹槽ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ，這對電機的運轉影響很大⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤。

另外⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，實驗表明♀☿☼☀☁☂☄，軸桿上的電壓還與變頻器輸出電壓的電抗器基波頻率有關❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，基波頻率越低✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，軸桿上的電壓越高⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯，軸承損傷越嚴重㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂。在馬達工作的初期⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺，潤滑油溫度較低的時候㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦，電流幅度在5-200mAⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ，這么小的電流不會對軸承產生任何損壞✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥。但是✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅，當馬達運行一段時間后ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，隨著電抗器潤滑油溫度升高ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ，峰值電流會達到5-10A⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯，這會產生飛弧☈⊙☉℃℉❅，在電抗器軸承部件的表面形成小坑⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺。

5☈⊙☉℃℉❅、電機定子繞組的保護

當電纜的長度超過30米時✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，現代變頻器必然會在電機端產生尖峰電壓⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，縮短電機的壽命ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ。防止電機出現損傷⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，有兩個思路❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，一個是采用繞組絕緣抗電強度更高的電機（一般稱為變頻電機）❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，另一個是采取措施減小尖峰電壓☈⊙☉℃℉❅。前一種措施適合于新建的項目㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉，后一種措施適合于對已有的電機進行改造❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰。目前常用的電機保護方法有以下3個：

1)在變頻器的輸出端安裝電抗器(進線電抗器)：這個措施最常用⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾，且效果******♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃，這個方法不論對于較短的電纜（30米以下）還是較長的電纜（300米以下）都有最優效果⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺，目前針對變頻器用電抗器主要有三種：BACL進線電抗器（輸入電抗器）웃유ღ♋♂、BOCL出線電抗器（輸出 電抗器）ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ、BDCL直流電抗器（平波電抗器）⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾。

2)在變頻器的輸出端安裝dv/dt濾波器：這個措施適用于電纜長度小于300米的場合ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ，價格略高于電抗器ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ，但是效果有了明顯的改善⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，如圖6(d)所示ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ。

3)在變頻器的輸出端安裝正弦波濾波器：這個措施是最理想的（其實正弦波濾波器本本質上就是 電抗器）ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ。因為在這里✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，將PWM脈沖電壓變成了正弦波電壓❣❦❧♡۵，是電機工作在與工頻電壓相同的條件下✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，尖峰電壓的問題得到了徹底的解決（電纜再長⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾，也不會出現尖峰電壓了）①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯。