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发表人：刘黎明 |
发表时间：2010/2/28 15:49:00 |
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| 本栏论题： |
变频器应用对电机及电网的影响 [8253] |
变频器的调速性能能够满足各种生产工艺机械设备的要求，对风机水泵调速调节流量的节能效果很明显，故变频调速已获得广泛应用，但也带来一些特殊问题，不可掉以轻心。
2 采用普通鼠笼电动机
变频调速专用电动机为变频调速而设计，在电机设计中，已考虑了一定的必要的对策措施，问题是原为电网电源供电设计的电机(以下简称普通电机)，现在欲用于变频器供电，这就有一些特殊的问题要探讨。
为变频调速而采用普通电动机，可能见之于下列场合:技术改造工程，例如为了节能而对水泵风机调速，电机早已有了。即使是新建工程，如果采取某些措施，也不是非用变频电机不可，何况普通电机价格相对较低，也易于获得需要的一般机械电气性能参数和机械结构型式，最常见的是风机水泵应用。
采用的变频器最常见的是电压源型变频器，其逆变器输出通常都是正弦波脉宽调制(spwm)方式，输出电压除了正弦形基波外，还有khz数量级(可达几十khz)的高频成分，这类变频器是讨论的重点。偶而可以遇到电流源型变频器，其输出电流是阶梯形波，谐波次数为5，7，11，13……等，本文不多讨论，讨论的内容也不涉及电机的启动和瞬变现象，但内容覆盖了调速范围内各种速度下的性能。
3 电机转矩的降低
普通电机由电压源型变频器供电时，转矩要有所降低。这里的电机转矩降低不是指电机在调速运行时不能够产生原有的额定转矩，因为现代的变频器技术可以克服各种障碍以得到足够的转矩，而是由于谐波引起电机的铁损和铜损增加，若维持额定转矩运行可能就会因温升过高而缩短绝缘寿命。考虑上述各种因素，转矩降低系数的典型值为0.8~1.0。对于恒转矩特性负载(负载要求的转矩不随速度而变)且电机是共轴自冷却风扇时，由于低速时冷却能力明显降低而恒转矩运行表明电流不变，若较长时间运行是肯定不行的(温升过高)。由于离心式风机水泵消耗的功率随转速降低而急骤(约为三次方关系)降低，且所配套的电机功率一般都有一定的裕度，因而电机转矩的降低对风机水泵负载来说一般都不会有问题。
对于恒转矩负载，电机不是共轴的自冷却风扇，而是独立的通风冷却例如强迫通风冷却，这种场合，普通电机是否可行,要看电机功率的原选配是否有约20%的富裕能力，以克服铁损铜损的增加而导致的过高温升问题。
4 电机的绝缘寿命
电压源型变频器的逆变部分通常用快速电力电子半导体器件如igbt，因而电压上升速度很高，使电机的匝间绝缘承受很大的电压应力，特别是首端线卷的匝间。其所承受的电压应力的强度大小决定于电压脉冲的峰值、电压的上升速度和调制频率、变频器和电动机之间的电缆特性和长度、电机绕组的设计以及其它的系统参数。
用漆包线的散嵌绕组类型的电动机可能能够承受上述脉冲电压而不会明显地缩短寿命。
电缆的特性和长度对电机绝缘寿命有影响是因为电缆有分布电感和分布电容，而电机对变频器输出的高频而言，电机的感抗是很高的，可认为是开路的无穹大，分析这类高频波在电缆中的现象要用到行波理论，当超过一定的电缆长度，行波到达电动机端头上时，电压可能升高一倍，对电机的绝缘特别是匝间绝缘构成威胁，某些变频器厂家规定对电缆有长度限制，就是此理。
对额定电压500v及以下电动机的绝缘系统通常能承受一定的电压峰值而可有满意的寿命期，但是在变速运行时，要避免速度的快速变化，因这可能引起在变频器输出的再生电压达到电动机额定电压的两倍以下。
额定电压超过500v的电动机，可能要求电动机有加强的绝缘或在变频器输出端加装滤波器以限制电压峰值或/和降低电压上升速度。
5 电动机的轴承电流
工程设计人员可能不大关心这个问题，但它确是个问题，直接受害对象是电动机的轴承，通过不大的轴承电流会使轴承表面产生麻点，最终不能正常工作，美国已有事故报导。关于这个轴电流问题在iec的有关标准中有规定，见文献[1]。
调速传动系统是一个复杂的系统，供货方包括变频器(产品可包括电抗器)、电缆和电动机，而直接有关的只有两家即变频器和电动机生产厂。变频器有产品标准，电动机也有产品标准，两者之间的匹配有时可能还得系统集成者—工程设计人员来关照。
5.1 产生的原因
即使是正弦波电源供电，也有不大的轴电压产生，这是由于电机磁轭的不齐整性而在定子园形铁芯内(从端面看铁芯是一个园环)产生磁通，轴电压主要是工频，若轴电压不超过500mv，通常不需要采取措施。轴电流沿着轴、轴承、电机外壳，另一端轴承再返回到轴形成闭合回路。
变频调速产生的轴电流是另一种机制，它是由电压源型变频器产生的所谓共模电压引起的，此共模电压是变频器所固有的，缘于它的电路结构和控制策略，其峰值约为交一直一交电路中间直流电压的50%，可以认为是三相系统的零序电压分量，特别包含了变频器输出电压中的谐波成分，共模模型的等值电路图如图1所示，轴电流最后返回到变频器的中性点。
图1中:
图1 共模回路与轴承电压
b代表轴承;
iedm静电放电加工电流;
c 代表电缆;
l0 漏抗;
csr定子与转子间电容;
rb 轴承电阻;
cb轴承电容;
r0绕组电阻;
csf机座电容;
usng 定子中性点对地电压;
crf转子机架电容;
ubrg轴承电压;
ib轴承电流;
ucm共模电压。
5.2 降低轴承电流的原理
从图1中可以看出，共模电压ucm源自变频器，为了降低轴承电流ib，原理上可以降低ucm，加大电缆的分布电容、csf和crf以及加大电缆的阻抗、电机的ro、lo和轴承的电阻rbcsr，但在实际措施上有些参数是不易或不合适改变的，且因电机的大小不同，是否需要采取措施或采取何种措施均有所不同。
5.3 具体措施[1]、[2]
在合适的装置系统的基础上，有下列经验:
(1)电动机轴高为280mm及以下时，很少发生因变频运行而使轴承失效的，但变频器的开关频率大于10khz(这种情况不多)和输出电压大于400v时，要考虑给电机的一个轴承加以绝缘。
(2)电机轴高为315mm及以下时，建议对轴承加以绝缘，绝缘的交流阻抗对1mhz至少为100ω。很少需要对电机的两个轴承都加绝缘，如果还不满足要求，则强烈建议对整个驱动系统进行分析并且宜包括被驱动机械(对于轴耦合器加以绝缘)和接地系统(可能需要接地电刷)。
(3)电机轴高为315mm及以上时，对其轴承加以绝缘不可能或不希望时，建议采取下列措施之一:降低变频器输出电压的dv/dt,即陡度，或加装滤波器以降低零序即其模电压。
之所以需要有合适的装置系统(布线、接地、等位联接)作基础，是要尽一切可能使进入到电机的共模电流为最小，为此，也为了满足emc(电磁兼容)要求，宜使用多芯屏蔽电缆，屏蔽层宜为铜或铝质，并于其两端按高频要求接到pe线上，即一端接变频器，另一端接电动机。其它要求如对接地、等位联接、对测速发电机和脉冲编码器的连接电缆及布线，iec标准都有建议，详见文献[1]、[2]。
6 对电动机的其它不良影响
其它不良影响如磁力引起的噪音，对工业环境一般不会成为问题，至于振荡转矩，由于变频器一般都采用spwm，即正弦波脉宽调制，也都不会成为问题。
此外，还有一种说法认为变频器的高频输出电流，会使变频器的输出电流整体上有所增加，美国杂志上也曾有文[3]阐述此事，特别是功率20hp以下电机和长支线电缆时。但国内运行实践未见有此报导，iec的各种标准对此也未提及。
7 变频器输出电抗器及滤波器的特点及其应用(参见图2)[2]
在某些场合，例如为了降低输出的高频电压强度或改善电磁兼容性能，采用电抗器或输出滤波器可能是需要的，由于在其两端要产生电压降，因而对电动机的性能有某些影响。
7.1 输出电抗器
特殊设计用以降低输出电压峰值及dv/dt，但要注意，特别是带铁心的，当设计不当时，可能延长电压过冲(overshoot)的持续时间。使用电抗器以后可以增加峰值上升时间约5μs，而将峰值电压降至792v，通常该电抗器由变频器成套供应并装在变频器柜中。这种电抗器还能减少电缆的电容充电电流，而在较大功率时，可使电缆长度达到几百米而不致危及电机绝缘。
7.2 限压滤波器(dv/dt滤波器)
它除了电抗器之外，还包含有电容器或阻容吸收整流桥，可明显的降低峰值电压和增加峰值上升时间(减少dv/dt值)。例如峰值可降至684v，dv/dt为40v/μs，但对电机约损失电压0.5~1.0%，因而会减少启动转矩和最大转矩。这种滤波器主要用在电机绝缘水平相对比较弱的场合。
7.3 正弦波滤波器
特殊设计的一种低通滤波器，以滤除高频电流使输出成为正弦波电压，通常有下列两种类型:
(1)输出相电压和线电压都是正弦波;
(2)输出线电压为正弦波。
这种滤波器比较贵，而且有缺点，即损失电机电压10%，故也不宜用于要求高动态性能的场合，它主要用于一些特殊场合。
7.4 电动机机端单元(与电机一体的单元)
它安装在电机近旁并连接在电机端子上，其目的是使电机阻抗与电缆阻抗匹配以防止电机反射电压而使电压升高(在匹配最不利情况，电压可升高一倍)，例如峰值电压现只有800v，但它也要增加损耗约0.5~1.0%。上述四种措施的特性如图2所示[2]。
图2a 输出电抗器(3%)
图2b 输出dv/dt滤波器
图2c 正弦波滤波器
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