变频器对三相异步电动机的影响分析

变频调速技术使三相异步电动机实现了无级调速和显著的节能效果，然而变频器输出的非正弦电源也给电动机的运行带来了多方面的影响。下面从损耗与温升、绝缘应力、振动噪声、轴电流以及低转速冷却等五个维度，分析变频器对三相异步电动机的具体影响及相应缓解对策。

一、损耗增加与温升升高

无论何种形式的变频器，在运行中均会产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行。以目前普遍使用的正弦波PWM型变频器为例，其低次谐波基本为零，但存在比载波频率大一倍左右的高次谐波分量。

这些高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜耗、铁耗及附加损耗的增加，其中最为显著的是转子铜耗。因为异步电动机以接近基波频率对应的同步转速旋转，高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后，会产生很大的转子损耗，此外还需考虑集肤效应所产生的附加铜耗。这些损耗使电动机额外发热、效率降低、输出功率减小。将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加10%~20%。实测数据显示，变频器输出的电压波形总谐波畸变率（THD）可达10%~15%，远高于电网供电时的2%~3%，高频谐波会导致电机绕组温升提高8~15℃。

在缓解对策方面，可在变频器输出侧加装du/dt滤波器或正弦波滤波器：du/dt滤波器可将电压上升率限制在500V/μs以内，加装后电机绕组温升可降低5~8℃；正弦波滤波器可将PWM波形转换为近似正弦波，THD控制在5%以内。同时，适当调试载波频率参数——适度提高载波频率可降低高次谐波含量、减小电机损耗，但载波频率过高会加剧电动机的冲击电压，对绝缘不利，且变频器自身损耗也会增大，因此不宜设置过高。此外，选用变频专用电动机，其电磁设计针对非正弦电源进行了优化，也是有效降低损耗和温升的根本措施。

二、绝缘系统承受更高电应力

目前中小型变频器多采用PWM控制方式，载波频率约为几千到十几千赫，使电动机定子绕组承受很高的电压上升率（dv/dt）。实测显示，PWM波形的dv/dt通常可达5000V/μs以上，这对电机绝缘系统造成累积性损伤。

dv/dt过高的影响主要体现在三个方面。

第一，陡峭的冲击电压使电动机的匝间绝缘承受严酷考验，持续的过电压以及过高的du/dt会造成绕组匝间和相间绝缘承受不均匀的电压分布，加速绝缘老化，甚至导致绝缘击穿。

第二，PWM变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上，对电动机对地绝缘构成威胁，在高压反复冲击下加速老化。

第三，变频器输出端的高频开关导致共模电压通过电机对地电容与屏蔽路径流动，形成共模电流，使绝缘应力和局部放电概率上升。长期运行下，局部放电现象会加速绝缘老化，对额定电压380V的普通电机，其绝缘寿命可能缩短30%~50%。

针对上述问题，可选用变频专用电机，这类电机采用三重绝缘系统（相间、匝间、对地），绝缘材料耐温等级通常达到F级（155℃）以上。在变频器输出端加装du/dt滤波器或正弦波滤波器，可有效降低输出电压的dv/dt。同时建议定期进行绝缘检测，每季度使用极化指数测试仪检测绝缘状况，当极化指数（PI）低于1.5时应引起警惕。

三、谐波引发振动与噪声复杂化

普通异步电动机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素引起的振动和噪声变得更加复杂。变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而加大噪声。

从作用机理看，变频器输出中的低次谐波分量与转子固有机械频率谐振，会使转子固有频率附近的噪声增大；高次谐波分量与铁心、机壳、轴承架等谐振，在这些部件的各自固有频率附近处噪声增大。变频器驱动电动机时产生的刺耳噪声与PWM控制的开关频率有关，尤其在低频区更为显著。对振动影响较大的主要是较低次谐波分量，在PAM方式和方波PWM方式时影响较大，采用正弦波PWM方式时低次谐波分量较小，影响相应变小。

在抑制措施方面，可在变频器输出侧接入交流电抗器，吸收变频器输出电流中的高次谐波电流成分。使用PAM方式或方波PWM方式变频器时，可改用正弦波PWM方式变频器，以减小脉动转矩。如果电磁转矩有余量，可将U/f设定小些。对于在较低频段噪声严重的情况，需要检查轴系统（含负载）的固有频率，避免电磁激振力频率与机械固有频率重合。

四、轴电流引发轴承电腐蚀

轴电流是变频驱动中一个隐蔽但危害显著的问题。变频器输出为PWM高频脉冲，电压上升沿陡峭，通过电机定子绕组与转子之间的寄生电容耦合，在转轴上感应出高频轴电压。当轴电压超过轴承润滑膜的击穿阈值（约15~20V）时，会产生放电电流，导致轴承出现典型的"搓衣板"状电蚀纹。实测案例显示，未采取防护措施的变频驱动电机轴承寿命可能缩短至原设计的1/3。

轴电流产生的具体路径为：变频器→定子绕组→寄生电容（定子-转子）→转轴→轴承→机壳→地。变频器输出典型dv/dt可达500~4000V/μs，共模电压作用下产生的轴电压可达10~30V。危害包括轴承点蚀（电化学烧蚀）、润滑脂电解变质加速机械磨损，严重时可能导致轴承卡死甚至电机扫膛烧毁。

目前工程上抑制轴电流的措施主要有三类路径。

扼流限制：在变频器输出端放置扼流磁环或扼流线圈，抑制共模电流。

绝缘阻断：在非驱动端轴承内圈或外圈加装绝缘涂层轴承（如陶瓷或特氟龙），或在电机与负载间加装绝缘联轴器，完全阻断轴电流通路。

旁路疏导：在轴端安装接地碳刷，将轴电压导走（需定期维护）。

对于变频驱动电机，绝缘轴承与共模滤波的组合是常用的综合治理方案。此外，在变频器输出端加装共模滤波器、降低开关速率、采用对称磁路设计以及使用对称屏蔽电缆等措施，也能有效减少轴电压和轴电流的产生。

五、低转速时冷却能力显著下降

普通异步电动机大多采用自带风扇的自扇冷却方式，冷却风扇与电动机同轴，冷却风量与转速的三次方成比例变化。当电动机在低频低速运行时，冷却风量急剧减小，导致低速冷却状况显著恶化，温升急剧增加，难以实现恒转矩输出。与此同时，电源频率较低时，高次谐波引起的损耗也相对较大，进一步加剧了低速区的发热问题。电动机变频运行后其温升增加几乎不可避免，特别是普通电动机在30Hz以下运行时，极易发生过热现象。

针对这一问题的对策，应从提高散热能力和减少发热两方面着手。在提高散热能力方面，可选用变频专用电动机或采用强迫通风式电动机（他扇冷式），在电机低速运行时仍能保持足够的冷却风量；也可改造原有设备另设独立冷却风扇。在减少发热方面，可在变频器输出侧加装滤波器以改善谐波性能、合理调试载波频率参数减小各种损耗、适度降低变频器输出电压（减小U/f给定）以及适当提高电机和变频器容量、减小负载系数。如果生产工艺允许，限制电动机运行的最低频率，保证自扇冷式电动机在低速时的冷却能力，也是一种简单有效的方法。

六、综合对策

上述多方面影响的根本原因，在于普通异步电动机是按照恒频恒压设计的，无法完全适应变频调速的要求。综合而言，针对变频器对三相异步电动机的各种不利影响，可采取以下系统性对策：

硬件层面，加装各类滤波器是核心手段：在变频器输出侧加装输出电抗器或du/dt滤波器，可有效抑制dv/dt并降低谐波损耗；加装正弦波滤波器可使输出波形趋近正弦波，从根本上改善谐波问题；在变频器输入端与输出端串接合适的电抗器，或安装LC型谐波滤波器，可吸收谐波并增大电源或负载阻抗。

电机选型层面，在变频调速应用中应优先选用变频专用电动机，其对非正弦电源具有良好的适应能力。若条件有限，至少应对现有电机进行改造，如采用他扇冷式冷却方式。

参数调试与运维层面，应合理设置变频器载波频率参数，建立定期检测制度，包括绝缘检测（极化指数测试）、轴电压/轴电流监测、振动与温度监测等，及时发现和处理潜在问题。

采取上述综合防护方案，虽初期投资约增加25%，但能耗可降低8%~12%，维护成本可减少40%，在设备全寿命周期内具有显著的经济效益。