變頻器應(yīng)用對電動機與電網(wǎng)的不良影響及對策

1、變頻器應(yīng)用對電動機與電網(wǎng)的不良影響及對策1引言變頻器的調(diào)速性能能夠滿足各種生產(chǎn)工藝機械設(shè)備的要求，對風(fēng)機水泵調(diào)速調(diào)節(jié)流量的節(jié)能效果很明顯，故變頻調(diào)速已獲得廣泛應(yīng)用，但也帶來一些特殊問題，不可掉以輕心。2采用普通鼠籠電動機變頻調(diào)速專用電動機為變頻調(diào)速而設(shè)計，在電機設(shè)計中，已考慮了一定的必要的對策措施，問題是原為電網(wǎng)電源供電設(shè)計的電機(以下簡稱普通電機)，現(xiàn)在欲用于變頻器供電，這就有一些特殊的問題要探討。為變頻調(diào)速而采用普通電動機，可能見之

2、于下列場合:技術(shù)改造工程，例如為了節(jié)能而對水泵風(fēng)機調(diào)速，電機早已有了。即使是新建工程，如果采取某些措施，也不是非用變頻電機不可，何況普通電機價格相對較低，也易于獲得需要的一般機械電氣性能參數(shù)和機械結(jié)構(gòu)型式，最常見的是風(fēng)機水泵應(yīng)用。采用的變頻器最常見的是電壓源型變頻器，其逆變器輸出通常都是正弦波脈寬調(diào)制(spwm)方式，輸出電壓除了正弦形基波外，還有khz數(shù)量級(可達幾十khz)的高頻成分，這類變頻器是討論的重點。偶而可以遇到電流源型變頻

3、器，其輸出電流是階梯形波，諧波次數(shù)為5，7，11，13……等，本文不多討論，討論的內(nèi)容也不涉及電機的啟動和瞬變現(xiàn)象，但內(nèi)容覆蓋了調(diào)速范圍內(nèi)各種速度下的性能。3電機轉(zhuǎn)矩的降低普通電機由電壓源型變頻器供電時，轉(zhuǎn)矩要有所降低。這里的電機轉(zhuǎn)矩降低不是指電機在調(diào)速運行時不能夠產(chǎn)生原有的額定轉(zhuǎn)矩，因為現(xiàn)代的變頻器技術(shù)可以克服各種障礙以得到足夠的轉(zhuǎn)矩，而是由于諧波引起電機的鐵損和銅損增加，若維持額定轉(zhuǎn)矩運行可能就會因溫升過高而縮短絕緣壽命?？紤]上述各

4、種因素，轉(zhuǎn)矩降低系數(shù)的典型值為0.8~1.0。對于恒轉(zhuǎn)矩特性負載(負載要求的轉(zhuǎn)矩不隨速度而變)且電機是共軸自冷卻風(fēng)扇時，由于低速時冷卻能力明顯降低而恒轉(zhuǎn)矩運行表明電流不變，若較長時間運行是肯定不行的(溫升過高)。由于離心式風(fēng)機水泵消耗的功率隨轉(zhuǎn)速降低而急驟(約為三次方關(guān)系)降低，且所配套的電機功率一般都有一定的裕度，因而電機轉(zhuǎn)矩的降低對風(fēng)機水泵負載來說一般都不會有問題。對于恒轉(zhuǎn)矩負載，電機不是共軸的自冷卻風(fēng)扇，而是獨立的通風(fēng)冷卻例如強迫

5、通風(fēng)冷卻，這種場合，普通電機是否可行要看電機功率的原選配是否有約20%的富裕能力，以克服鐵損銅損的增加而導(dǎo)致的過高溫升問題。4電機的絕緣壽命電壓源型變頻器的逆變部分通常用快速電力電子半導(dǎo)體器件如igbt，因而電壓上升速度很高，使電機的匝間絕緣承受很大的電壓應(yīng)力，特別是首端線卷的匝間。其所承受的電壓應(yīng)力的強度大小決定于電壓脈沖的峰值、電壓的上升速度和調(diào)制頻率、變頻器和電動機之間的電纜特性和長度、電機繞組的設(shè)計以及其它的系統(tǒng)參數(shù)。用漆包線的

6、散嵌繞組類型的電動機可能能夠承受上述脈沖電壓而不會明顯地縮短壽命。電纜的特性和長度對電機絕緣壽命有影響是因為電纜有分布電感和分布電容，而電機對變頻器輸出的高頻而言，電機的感抗是很高的，可認為是開路的無穹大，分析這類高頻波在電纜中的現(xiàn)象要用到行波理論，當超過一定的電纜長度，行波到達電動機端頭上時，電壓可能升高一倍，對電機的絕緣特別是匝間絕緣構(gòu)成威脅，某些變頻器廠家規(guī)定對電纜有長度限制，就是此理。對額定電壓500v及以下電動機的絕緣系統(tǒng)通常

7、能承受一定的電壓峰值而可有滿意的壽命期，但是在變速運行時，要避免速度的快速變化，因這可能引起在變頻器輸出的再生電壓達到電動機額定電壓的兩倍以下。額定電壓超過500v的電動機，可能要求電動機有加強的絕緣或在變頻器輸出端加裝濾波器以限制電壓峰值或和降低電壓上升速度。usng定子中性點對地電壓crf轉(zhuǎn)子機架電容ubrg軸承電壓ib軸承電流ucm共模電壓。5.2降低軸承電流的原理從圖1中可以看出，共模電壓ucm源自變頻器，為了降低軸承電流ib，

8、原理上可以降低ucm，加大電纜的分布電容、csf和crf以及加大電纜的阻抗、電機的ro、lo和軸承的電阻rbcsr，但在實際措施上有些參數(shù)是不易或不合適改變的，且因電機的大小不同，是否需要采取措施或采取何種措施均有所不同。5.3具體措施[1]、[2]在合適的裝置系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，有下列經(jīng)驗:(1)電動機軸高為280mm及以下時，很少發(fā)生因變頻運行而使軸承失效的，但變頻器的開關(guān)頻率大于10khz(這種情況不多)和輸出電壓大于400v時，要考慮

9、給電機的一個軸承加以絕緣。(2)電機軸高為315mm及以下時，建議對軸承加以絕緣，絕緣的交流阻抗對1mhz至少為100ω。很少需要對電機的兩個軸承都加絕緣，如果還不滿足要求，則強烈建議對整個驅(qū)動系統(tǒng)進行分析并且宜包括被驅(qū)動機械(對于軸耦合器加以絕緣)和接地系統(tǒng)(可能需要接地電刷)。(3)電機軸高為315mm及以上時，對其軸承加以絕緣不可能或不希望時，建議采取下列措施之一:降低變頻器輸出電壓的dvdt即陡度，或加裝濾波器以降低零序即其模電

10、壓。之所以需要有合適的裝置系統(tǒng)(布線、接地、等位聯(lián)接)作基礎(chǔ)，是要盡一切可能使進入到電機的共模電流為最小，為此，也為了滿足emc(電磁兼容)要求，宜使用多芯屏蔽電纜，屏蔽層宜為銅或鋁質(zhì)，并于其兩端按高頻要求接到pe線上，即一端接變頻器，另一端接電動機。其它要求如對接地、等位聯(lián)接、對測速發(fā)電機和脈沖編碼器的連接電纜及布線，iec標準都有建議，詳見文獻[1]、[2]。6對電動機的其它不良影響其它不良影響如磁力引起的噪音，對工業(yè)環(huán)境一般不會成

11、為問題，至于振蕩轉(zhuǎn)矩，由于變頻器一般都采用spwm，即正弦波脈寬調(diào)制，也都不會成為問題。此外，還有一種說法認為變頻器的高頻輸出電流，會使變頻器的輸出電流整體上有所增加，美國雜志上也曾有文[3]闡述此事，特別是功率20hp以下電機和長支線電纜時。但國內(nèi)運行實踐未見有此報導(dǎo)，iec的各種標準對此也未提及。7變頻器輸出電抗器及濾波器的特點及其應(yīng)用(參見圖2)[2]在某些場合，例如為了降低輸出的高頻電壓強度或改善電磁兼容性能，采用電抗器或輸出濾

12、波器可能是需要的，由于在其兩端要產(chǎn)生電壓降，因而對電動機的性能有某些影響。7.1輸出電抗器特殊設(shè)計用以降低輸出電壓峰值及dvdt，但要注意，特別是帶鐵心的，當設(shè)計不當時，可能延長電壓過沖(overshoot)的持續(xù)時間。使用電抗器以后可以增加峰值上升時間約5μs，而將峰值電壓降至792v，通常該電抗器由變頻器成套供應(yīng)并裝在變頻器柜中。這種電抗器還能減少電纜的電容充電電流，而在較大功率時，可使電纜長度達到幾百米而不致危及電機絕緣。7.2限