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【摘要】针对水泵变频电机绕组匝间的故障，从电磁设计、材料选用及变频器电源等方面找出故障产生的根源，并进行设计调整及加工制造改进，经实际运行验证确认改造方案切实可行。
【关键词】变频电机；谐波；匝间；基频；滤波器
由三相异步电动机转速公式：n=60f（1-s）/p可知，变频电机是通过改变电源频率来实现对电机转速的控制。变频电机与水泵配套使用，通过改变转速来调节用水系统，不仅可以节约用电约40%，还可以使系统工作平缓稳定，提高整个生产线的自动化水平。如何根据现场实际使用环境以及控制系统的具体要求选择合适的变频电机是大家所关注的问题。
1. 引言
我公司4台同型号的变频电机与水泵配合，应用于某钢厂水冷却系统中（见下图1），电机参数：YVF2-355M1-4A 220KW 690V 215A，由日本某公司生产的变频器供电。
2. 故障现象
系统试运行不到2个月，其中3号工位的电机出现故障停止运转，与其连接的配电柜无法复位送电，更换备用电机后系统暂时运行正常。对损坏电机拆机检测，绕组端部有过流烧损现象；又过不到1个月，相同现象又出现在4号工位，对损坏电机拆机检测并无明显烧损迹象。
3. 原因分析
（1）当液位变送器检测到水位压力变化时，控制系统根据反馈信号到来调整变频器输出频率，进而控制调节电机转速，查看变频器数据记录，发现输出频率主要在10～25Hz之间，由于电机的轴功率P与转速n有如下关系：P∝n3、转矩T与转速n有如下关系：T∝n2，从图2分析得出电机在未达到额定运行的60%时就开始向下调速，没有发挥出电机最佳性能，而且在低频下变频器输出含有大量谐波。
（2）谐波：不同于工频频率的其它整数倍工频频率的电量，一般工频电流作用于由非线性负载时产生。
（3）测量布线情况，从变频器到电机端约有120m左右，而且有多处桥架和转弯，变频器输出端到电机侧没有加装任何形式的滤波器装置，线路复杂也产生大量谐波。
（4）从对电机的拆机检测结果以及上述现场使用环境可以确认：变频器输出含有大量谐波电流和谐波电压，加上线路谐波在无任何的滤波装置下，在电机端相互叠加后产生很多不同幅值的尖峰谐波电压，造成电机绕组及绝缘失效匝间短路。对在运行的电机侦听鉴别和对转速的仔细测量，发现有明显脉动转矩存在，转速也有轻微波动。
（5）匝间短路：就是同一绕组是由很多圈（匝）绕制成的，如果受到尖峰电压冲击叠压在一起的线圈之间会短路，造成一部分线圈短路不起作用，产生的磁场和以前不对称了，而且剩余的线圈电流比以前大了，过流保护检测到超负荷的短路电流后就切断供电装置。
4. 改造及效果
针对电机频繁在低频10～25Hz之间反复调速运行及大量谐波存在的特殊使用环境，对电机重新进行了设计改造：
4.1电磁负荷。
电机运行在低频时采用不同压频比有可能造成磁路的过饱和，并考虑到谐波磁通引起的磁路过饱和，在设计时努力降低磁通密度，同时适当控制电磁负荷，在保证应有的效率及功率因数情况下加长铁芯和选用倒磁性能更好、损耗更低的50W350硅钢板，这样有利于提高磁负荷能力，减小温升。
4.2绕组设计。
采用特殊绝缘处理的电磁线，可以抵御绕组间出现的高频电压、瞬时尖脉冲及快速的脉冲上升时间等对电机的影响；提高绝缘材料等级为H级，并在最易受到浪涌电流的冲击的每把线圈前三匝之间增加隔离绝缘，在端部每槽之间又增加了组间绝缘加以隔离以防止端部不同槽之间绕组匝间；采用高压VPI真空浸漆处理。
4.3基频选定。
根据现场的控制系统的使用情况及变频器供电频率范围，从调速系统的整体优化出发，在设计时选定基频为35Hz，以提升低频转矩和提高低速性能。
基频：电机额定运行时的频率，也是电机运行效果最佳的频率点。
4.4效果验证。
根据上述设计调整方案重新加工制造了两台全新的变频电机，并替换下现场运行的3号和4号工位上的电机。从投入运行至今有半年有余，未曾出现任何问题。从而验证了设计改造方案切实可行。
5. 再改造
（1）从对电机的改造效果可以确认新的变频电机咱时承受的住系统中大量的谐波电流和谐波电压的冲击并能稳定运行，但谐波的存在会增加线路损耗及运行成本，还会影响各种电气设备的正常运行，甚至会影响继电保护和自动装置的工作和可靠性，还产生一定数量的干扰信号影响其它设备的控制精度，更重要的是它的存严重影响电机的使用寿命。
（2）因此强烈建议业主在变频器的输入或输出端增加滤波装置，为保证电机长期可靠运行。最简单、最经济的做法是在电机输入端增加电抗器以削弱谐波的破坏。
（3）滤波器 ：能够过滤线路中大多数谐波电压或谐波电流的装置，种类很多：有源滤波器、无源滤波器、电抗器等。
6. 结束语
变频电机在各行业的广泛应用，为用户带来了方便并节约了成本，为了更好的使用变频电机，笔者建议用户在选型时及时与生产厂家沟通，为电机设计者如实提供电机的使用环境及控制系统的相关情况，以便于设计者有的放矢的设计出负荷运行环境的变频电机，并选择合理的防治方法，将变频器产生的谐波控制在最小范围内，从而达到科学合理的用电，为抑制电网污染、提高电源质量做出贡献。
[文章编号]1006-7619（2013）07-30-680
[作者简介] 何利强，男，工作单位：西安泰富西玛电机有限公司，从事电机设计工作，1997年毕业于西安交通大学电气学院电机设计制造专业。
【关键词】变频电机；谐波；匝间；基频；滤波器
由三相异步电动机转速公式：n=60f（1-s）/p可知，变频电机是通过改变电源频率来实现对电机转速的控制。变频电机与水泵配套使用，通过改变转速来调节用水系统，不仅可以节约用电约40%，还可以使系统工作平缓稳定，提高整个生产线的自动化水平。如何根据现场实际使用环境以及控制系统的具体要求选择合适的变频电机是大家所关注的问题。
1. 引言
我公司4台同型号的变频电机与水泵配合，应用于某钢厂水冷却系统中（见下图1），电机参数：YVF2-355M1-4A 220KW 690V 215A，由日本某公司生产的变频器供电。
2. 故障现象
系统试运行不到2个月，其中3号工位的电机出现故障停止运转，与其连接的配电柜无法复位送电，更换备用电机后系统暂时运行正常。对损坏电机拆机检测，绕组端部有过流烧损现象；又过不到1个月，相同现象又出现在4号工位，对损坏电机拆机检测并无明显烧损迹象。
3. 原因分析
（1）当液位变送器检测到水位压力变化时，控制系统根据反馈信号到来调整变频器输出频率，进而控制调节电机转速，查看变频器数据记录，发现输出频率主要在10～25Hz之间，由于电机的轴功率P与转速n有如下关系：P∝n3、转矩T与转速n有如下关系：T∝n2，从图2分析得出电机在未达到额定运行的60%时就开始向下调速，没有发挥出电机最佳性能，而且在低频下变频器输出含有大量谐波。
（2）谐波：不同于工频频率的其它整数倍工频频率的电量，一般工频电流作用于由非线性负载时产生。
（3）测量布线情况，从变频器到电机端约有120m左右，而且有多处桥架和转弯，变频器输出端到电机侧没有加装任何形式的滤波器装置，线路复杂也产生大量谐波。
（4）从对电机的拆机检测结果以及上述现场使用环境可以确认：变频器输出含有大量谐波电流和谐波电压，加上线路谐波在无任何的滤波装置下，在电机端相互叠加后产生很多不同幅值的尖峰谐波电压，造成电机绕组及绝缘失效匝间短路。对在运行的电机侦听鉴别和对转速的仔细测量，发现有明显脉动转矩存在，转速也有轻微波动。
（5）匝间短路：就是同一绕组是由很多圈（匝）绕制成的，如果受到尖峰电压冲击叠压在一起的线圈之间会短路，造成一部分线圈短路不起作用，产生的磁场和以前不对称了，而且剩余的线圈电流比以前大了，过流保护检测到超负荷的短路电流后就切断供电装置。
4. 改造及效果
针对电机频繁在低频10～25Hz之间反复调速运行及大量谐波存在的特殊使用环境，对电机重新进行了设计改造：
4.1电磁负荷。
电机运行在低频时采用不同压频比有可能造成磁路的过饱和，并考虑到谐波磁通引起的磁路过饱和，在设计时努力降低磁通密度，同时适当控制电磁负荷，在保证应有的效率及功率因数情况下加长铁芯和选用倒磁性能更好、损耗更低的50W350硅钢板，这样有利于提高磁负荷能力，减小温升。
4.2绕组设计。
采用特殊绝缘处理的电磁线，可以抵御绕组间出现的高频电压、瞬时尖脉冲及快速的脉冲上升时间等对电机的影响；提高绝缘材料等级为H级，并在最易受到浪涌电流的冲击的每把线圈前三匝之间增加隔离绝缘，在端部每槽之间又增加了组间绝缘加以隔离以防止端部不同槽之间绕组匝间；采用高压VPI真空浸漆处理。
4.3基频选定。
根据现场的控制系统的使用情况及变频器供电频率范围，从调速系统的整体优化出发，在设计时选定基频为35Hz，以提升低频转矩和提高低速性能。
基频：电机额定运行时的频率，也是电机运行效果最佳的频率点。
4.4效果验证。
根据上述设计调整方案重新加工制造了两台全新的变频电机，并替换下现场运行的3号和4号工位上的电机。从投入运行至今有半年有余，未曾出现任何问题。从而验证了设计改造方案切实可行。
5. 再改造
（1）从对电机的改造效果可以确认新的变频电机咱时承受的住系统中大量的谐波电流和谐波电压的冲击并能稳定运行，但谐波的存在会增加线路损耗及运行成本，还会影响各种电气设备的正常运行，甚至会影响继电保护和自动装置的工作和可靠性，还产生一定数量的干扰信号影响其它设备的控制精度，更重要的是它的存严重影响电机的使用寿命。
（2）因此强烈建议业主在变频器的输入或输出端增加滤波装置，为保证电机长期可靠运行。最简单、最经济的做法是在电机输入端增加电抗器以削弱谐波的破坏。
（3）滤波器 ：能够过滤线路中大多数谐波电压或谐波电流的装置，种类很多：有源滤波器、无源滤波器、电抗器等。
6. 结束语
变频电机在各行业的广泛应用，为用户带来了方便并节约了成本，为了更好的使用变频电机，笔者建议用户在选型时及时与生产厂家沟通，为电机设计者如实提供电机的使用环境及控制系统的相关情况，以便于设计者有的放矢的设计出负荷运行环境的变频电机，并选择合理的防治方法，将变频器产生的谐波控制在最小范围内，从而达到科学合理的用电，为抑制电网污染、提高电源质量做出贡献。
[文章编号]1006-7619（2013）07-30-680
[作者简介] 何利强，男，工作单位：西安泰富西玛电机有限公司，从事电机设计工作，1997年毕业于西安交通大学电气学院电机设计制造专业。