变频驱动器（简称变频器）的出现，为工业自动化及电机能效领域带来了革命性变革，显著提升了工业自动化水平与能源利用效率。在现代工业生产中，变频器已成为不可或缺的核心设备，其应用场景更延伸至日常生活——电梯与变频空调就是典型例证。然而，在带来诸多优势的同时，变频器也引发了新的技术挑战，其中最突出的问题便是其对电机可能造成的损伤。
这引出一个关键问题：变频器是否是导致电机快速故障的原因？尽管该问题已引发关注，但多数人仍然不清楚引发此类故障的机制。本文将深入剖析这些故障机制，并提出相应的预防措施。
变频器会对电机造成哪些损坏？
变频器对电机造成的损伤主要分为两类：电机定子绕组与电机轴承损坏。此类损坏发生的时间跨度不定，可能在几周至数月内出现，具体取决于多种因素，包括变频器品牌、电机品牌、电机功率、载波频率、变频器与电机之间连接电缆长度及环境温度等多重因素。
突发性电机故障不仅会带来高昂的维修更换成本，更会导致严重的生产停滞。因此，在使用变频器驱动电机时，务必清醒认识潜在风险并采取预防措施。
变频器损伤电机定子绕组的机理
变频器驱动电机时导致电机损坏的根本原因，在于其输出电压波形的特性。与纯净正弦波不同，变频器输出的是脉宽调制（PWM）电压，这种波形会加剧电机绕组的电气应力。当这些PWM脉冲通过电缆传输时，若电缆阻抗与电机阻抗不匹配，就会产生电压反射现象。这些反射波与入射波叠加后，形成的电压尖峰最高可达直流母线电压的两倍，或变频器输入电压的三倍。
这些高压尖峰作用于电机定子绕组，使绕组承受巨大的电气应力。反复暴露在这种过电压环境下，会缩短电机绕组的绝缘寿命，最终导致电机过早故障。变频驱动电机的使用寿命取决于温度、污染度、振动强度、电压、载波频率及绝缘质量等参数。虽然提高载波频率可降低电机运行温度并延长绝缘寿命，但同时也增加了电压尖波的频率与数量，进一步对电机造成应力冲击。
载波频率对绝缘寿命的影响
温度是决定电机绝缘寿命的关键因素——温度越高，绝缘寿命越短。由于脉宽调制电压存在高频成分，变频器驱动的电机通常运行温度更高。研究表明，当运行温度超过75℃时，电机寿命将缩减50%。这种主要是由于变频器高开关频率引发的温度升高，会加剧绝缘材料老化，进一步加速电机故障。
变频器损伤电机轴承的机理
变频器对电机轴承的损伤主要源于流过轴承会产生循环电流。这类电流由两大因素导致：电磁场失衡感应的电压，以及杂散电容引发的高频电流。
在理想交流电机中，当三相电流平衡时电机轴不会产生感应电压。但变频器输出的PWM电压会导致磁场畸变，从而在电机轴上形成感应电压。若该轴电压超过轴承润滑剂的击穿电压，就会形成电流通路引发轴承间电弧放电。这种电弧灼伤会腐蚀轴承表面，产生点蚀，最终形成影响电机运行的沟槽。
轴承损伤的严重程度取决于电机运行时间与温度等因素。初始阶段电流可能微不足道，但随着持续运行导致润滑剂升温，峰值电流会不断增大，引发严重电弧，加剧轴承磨损。
电机定子绕组的保护措施
为预防变频器对电机造成损坏，可采取以下多项保护方案：
加装电抗器：在变频器输出端安装电抗器可抑制电压尖峰，但对长电缆线路效果有限
采用dv/dt滤波器：针对300米以内电缆线路效果显著，保护性能优于电抗器
正弦波滤波器：将PWM电压转换为正弦波，彻底消除电压尖峰，为电机提供理想保护
峰值电压吸收器：安装于电机接线端，能有效吸收有害电压尖波，同步保护绕组与轴承
综上所述，在使用变频器时，合理正确选装保护装置可显著延长变频驱动电机的使用寿命。
尽管变频驱动器彻底改变了工业及日常场景中的电机控制与能效表现，但它也确实可能成为电机早期失效的诱因。变频器引发的损伤包括定子绕组绝缘击穿与轴承失效，其驱动因素涵盖电压尖峰、温升效应及循环电流。通过深入理解这些风险，并采取适用保护措施（如选用变频专用电机、加装电抗器或滤波器），完全能够有效规避变频器的负面影响，确保电机获得持久稳定的运行寿命。
