谐波引发变频电机烧毁故障分析

【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。