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文檔簡介
1、變頻器對電機性能的影響及其對策曾岳南(廣東工業(yè)大學 ,廣東 廣州 510090摘要 :目前廣泛使用的變頻器都會產生不同程度的高次諧波和 dv/dt 問題 。 為此 , 本文著重分析了高次諧 波和 dv/dt 對異步電動機性能的影響 , 同時給出了一些解決問題的方法 。 關鍵詞 :異步電動機 ; 變頻器 ; 高次諧波 ; 脈沖電壓 中圖分類號 :T M 433文獻標識碼 :AI nfluence of inverter on induction motor and countermeasuresZENG Y ue-nan(G uan g don g Univ er sit y o f T ech
2、ni q ue , G uan g zhou 510090, China Abstract :T he inverter w ill p roduce harm onic and dv/vt ,so this p a p er that ance of in 2duction m otor and p resents som e m eth ods for solv in g p roblems. K e y w ords :induction m otor ;inverter ;hi g h -order harm onic ; p v 文章編號 :1005 7277(2000 05 000
3、9 04電氣傳動自動化E lectrical Drive Autom ation 第 22卷第 5期 2000年 10月V ol. 22, N o. 5OCT. ,20001前言置 、農業(yè)以及國防 等各個領域 , 在未來世界中將會扮演愈來愈重要 的角色 。然而 , 變頻器在節(jié)能 、 改善人類生活環(huán)境 、 提 高產品質量以及提高工業(yè)自動化程度方面做出巨 大貢獻的同時也將產生一些負面效應 。 例如 :變頻 器的輸出電壓和電流中含有高次諧波 , 高次諧波 不僅會引起電機損耗增加 , 而且會產生影響郵電 通訊設備正常工作的電磁干擾 ; 由于電源線路存 在分布電容以及電動機內部存在寄生電容 , 因此 對
4、應于功率開關器件的導通瞬間 , 將會產生正比 于 C (d v /d t 的脈沖電流序列 , 脈沖電流序列將導 致變頻器工況惡化 , 影響電動機的性能 , 引起漏電 流保護動作 。 充分認識諸如此類的不利因素 , 不僅 有益于改進變頻器的設計 、 完善各種防護措施 , 而 且對研究 、設計非正弦供電下的電動機也具有一 定的現實指導意義 。 為此 , 本文著重分析了 d v /d t 以及諧波對異步電動機性能的影響 , 同時給出一 些解決問題的方案 。2d v /d t 對電機性能的影響當變頻器以 PWM 方式向電動機提供脈沖電 壓序列時 , 采用開關時間很短的全控型器件后 , 對 應于開關器件
5、的導通瞬間 , 脈沖電壓具有很高的 電壓變化率 d v /d t 。 如果這些脈沖電壓作用在電容 性負載上 , 將會產生正比于 C (d v /d t 的脈沖電流 序列 , 該電流不僅使得功率開關器件承受很大瞬 時電流及瞬時功耗 , 而且會導致電容性負載受到 損傷 。(1 d v /d t 對電機絕緣的影響 三相 Y 接交流異步電動機 A 、 B 兩相之間的簡 化等效電路與簡化的開關控制如圖 1所示 。 圖中 :U d 為直流母線電壓 ; Cm 表示電機繞組間的等效 寄生電容 ; K 表示功率開關器件 ; L 表示線圈電感 ; R 表示線圈電阻 。取功率開關器件的最小導通時間 T r =0.
6、1S , 直流母線電壓為 560V , 等效電容 C m =1000p F 。 為 簡化分析 , 假定 :1 不考慮開關斷開后并聯回路的圖 1 簡化的異步電動機開關控制等效電路圖諧振因素 ;2 開關導通瞬間電容兩端的電壓為零 。 則脈沖電流幅值為 :I P =C m d t =C mT r=1000×10-120. 1×10-6=5. 6(A (1由此可見 , 由于電機繞組間存在寄生電容 , 所以對應于功率開關器件的導通瞬間 , 將會產生峰 值達 5. 6A 的脈沖電流 。 當開關器件以很高的頻率 通斷時 , 電機繞組絕緣將反復承受峰值很高的脈 沖電流 , 致使電機絕緣承受
7、相當嚴酷的電應力 。 如 此長期下去 , 將會加劇絕緣老化過程 , 造成電機絕 緣損傷 , 嚴重時絕緣被擊穿 , 縮短了電機使用壽 命 。圖 2為 某 公 司 生 產 的 變 頻 器 驅 動 型 號 為A02-8014, 功率為 550W 的三相交流異步電動機的測試結果 。 頻率給定值為 30H z , 開關頻率值為 3kH z , 電機帶 54. 5%的額定負載 。 測試與記錄儀器 為 :存儲示波器 PHI LIPS PM 3365A 100MH z , EP 2SON FX -850打印機 。由圖 2可見 , 在基波電流上疊加著一些脈沖電 流 , 脈沖電流的最大幅值達到 12A 。 脈沖電
8、流的幅值不完全一致 , 這跟電機內部的反電動勢以及并 聯回路的諧振因素有關 。(2 d v /d t 對電機軸承的影響近年來 , 人們發(fā)現當使用高載波頻率的電壓型PWM 變頻器驅動電動機時 , 會發(fā)生電動機軸承圈呈現槽狀損壞現象。 軸承損壞的機理可能是 d v /d t 或靜 電感應造成潤滑油膜擊穿導致的電火花加工作用。由于定子與轉子之間 , 轉子與機殼之間以及 電機轉子軸承中存在寄生電容 。 因此 , 當幅值很高 的 d v /d t 作用在這些電容上時 , 不僅會產生正比于 C (d v /d t 的脈沖充電電流 , 而且還會由于電容的 累積作用使得轉子軸電壓升高 。兩者都會引起潤 滑油膜
9、擊穿 , 生產電火花加工作用并導致電機軸 承損壞 。3諧波對電動機性能的影響變頻器以 PWM 方式輸出的脈沖電壓序列除包含基波電壓外 , 還包含一系列諧波電壓分量 , 諧波 電壓分量作用在電機繞組兩端將產生諧波電流 。 諧波對電機性能將產生不良影響 。 3. 1諧波等效電路及諧波電流估算如果不考慮鐵心飽和等非線性因素的影響 , 認 為電機電路是線性的 , 則根據疊加原理 , 可以將各 次諧波電源分別加到同一個穩(wěn)態(tài)等效電路上 。 對于k 次諧波電壓和電流 , 三上異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖 3所示 。, k S k =k ±(1-S 1/k(2式中 , S 1為基波轉差率 。由于基波
10、轉差率 S 1很小 , 因此對于高次諧波旋 轉磁場 , 由式 (2 可知 , 可以認為 S k =1。 此外 , 考慮到勵磁電抗 X m 一般比定 、 轉子漏電抗 X sl 和 X rl 要大 得多 , 因此可以對圖 3進一步簡化 , 如圖 4所示。一般來講 R s X sl 、 R r X r l , 若電機定子繞組 為 星 型 接 法 , 則 k 5, 因 此 (R s +R r 2與 (k X s l +kX r l 2相比要小得多 , 于是根據圖 4可以得到 :I sk k (X sl +X r l (3則 , 總的諧波電流有效值為 :I hk = 5I 2sk(4相電流有效值為 :I
11、 =I +k 5I 2sk(5 10 第 22卷第 5期電氣傳動自動化 圖 2電流波形圖 4簡化的異步電動機諧波等效電路圖2000年 10月 曾岳南 變頻器對電機性能的影響及其對策 11由式 (5 可以看出 , 含有諧波的相電流有效值高于基波相電流有效值 , 如果提高調制頻率 , 則幅值較大的諧波分量將朝著頻率增大的方向移動 ,由式 (3 、 (4 可知 , 諧波電流有效值將減小 。3. 2諧波電流產生的附加損耗(1 諧波電流產生的附加銅損耗諧波電流流過電機定 、轉子繞組時產生的銅損耗為 : p cuk = I 2sk (R s +R r (6對于定子繞組線圈為多匝圓形銅線繞制的籠型鑄鋁轉子異
12、步電動機 , 可以忽略定子繞組集膚效應 , 而籠型轉子的集膚效應可以用轉子電阻增大系數 k r k 來等效 。 當考慮集膚效應時 , 應對式 (6進行修正 , 修正后的算式為 : p cuk = I 2sk (R s +k r k R r (7式 (7 表明 , 由于集膚效應的影響 , 諧波電流產生的附加銅損耗將進一步增大 。(2 諧波電流產生的附加鐵損耗同步速旋轉 , 可以生鐵損耗。 , 諧波電流產生的磁場以不同倍數的同步速相對于定、 轉子旋轉 , 所以它在轉子鐵心中也要產生附加鐵損耗。 諧波磁場相對于定、 轉子的旋轉速度雖然不同 , 但比較接近 , 而且諧波次數越高 , 兩者越接近。 為簡
13、化計算 , 近似認為諧波磁場在定、 轉子鐵心中的交變頻率相同 , 等于基波頻率乘以諧波次數。 則 k 次諧波電流產生的附加鐵損可用下式計算 :p F ek =pF el(B k /B 1 2(f k /f 1 1. 5(G s +G 2 /(8式中 , PFel 為基波磁場在定子鐵心中產生的鐵損 耗 ; Bk /B 1和 f k /f 1分別為 k 次諧波磁通密度幅值 和頻率與基波磁通密度幅值和頻率之比 ; G s 和 G r 分別為定 、 轉子鐵心的質量 。由于諧波電流與基波電流產生的磁動勢在空 間分布規(guī)律相同 , 因而有B k /B 1=k /1=(f 1/f k (E k /E 1 (9
14、 式中 , 1、 E 1和 k 、 E k 分別為基波和 k 次諧波電 流產生的每極磁通和氣隙電動勢 。又由于諧波與基波氣隙電動勢之比近似等于 諧波與基波電壓之比 , 即E k /E 1 U k /U N (10 將式 (9 與式 (10 代入到式 (8 , 并考慮到 (G s +G r /G s 2, 于是得到 : p F ek =2p F ek 1 (U k /U N 2(1/k (11 式 (11 表明 , 諧波電流在定 、 轉子鐵芯中產生 的附加鐵損耗與諧波電壓分量的幅值成正比 , 與 諧波次數成反比 。 提高調制頻率后 , 幅值較高的電 壓諧波分量將向頻率增大的方向移動 , 則諧波鐵
15、 損耗相應減小 。(3 諧波電流產生的附加雜散損耗 。諧波電流產生的磁場將產生附加雜散損耗 。 附加雜散損耗主要包括 :1 定 、 轉子端部諧波漏磁 場在鐵心端部產生的鐵損耗 ; 2 斜槽轉子中的扭 斜諧波漏磁場產生的附加鐵損耗 。端部諧波漏磁 , 準確計算由它們 , 一般可進行近似 。, 故可參照前面計算附 。 k 次諧波電流產生的 附加雜散損耗用下式表示 : p sk =p sl (B k /B 1 2/(f k /f 1 1. 5(12 與前述相同 , 將式 (9 與式 (10 代入到式 (12 , 整理后得到 : p sk =p sl (U k /U N 2/(1/k (13 由式 (
16、13 可以看出 , 諧波電流產生附加雜散 損耗與諧波電壓分量的幅值成正比 , 與諧波次數 成反比 。 提高調制頻率后 , 幅值較高的電壓諧波分 量將向頻率增大的方向移動 , 則附加雜散損耗將 減少 。以上分析表明 , 諧波電流流過電機定、 轉子繞組 時產生附加損耗 , 該損耗將導致電機溫升增加。 3. 3諧波對電機效率的影響諧波電流產生的總附加損耗為 : P k = P Cuk + P Fek + P sk (14 正弦波電源供電、 無諧波損耗時的電機效率為 :1=P /(P + P 1 (% (15 式中 , P 為電動機的輸出功率 P 1為正統(tǒng)波電源 供電時電機的總損耗 。考慮電源諧波影響
17、時 , 電機的效率則為 :h =P /(P + P 1+ P k (% (16收稿日期 :2000-04-27曾岳南 男 , 1962年 2月生 , 講師 , 工學博 士 , 研究方向為電力電子與電力傳動控制 技術 。式 (16 表明 , 由于電流諧波產生附加損耗 , 使得 電機效率下降。 對于不同容量、 不同運行工況以及不 同 PWM 方式供電的電動機 , 效率降低的情況不同 , 但一般認為至少可以使電機效率降低 1%-3%。 3. 4諧波對電機功率因數的影響變頻器的諧波分量 , 不僅會使電機電流增大 、 效率下降 , 同時還會使電機的無功功率增加 。 電機 的無功功率不僅與電源中的諧波有關
18、 , 而且還與 電機參數以及運行狀態(tài)有關 。因此對于不同類型的電源和電機 , 電源諧波對電機功率因數的影響 自然也有所不同 。 但總地說來 , 供電電源中的諧波 分量將造成電機功率因數明顯降低 。4對策變頻器通過對功率開關器件進行快速的通斷 控制 , 實現經濟而有效的變壓變頻 , 達到控制電機 轉速的目的 。 也正是這種開關工作狀態(tài) , 使得變頻 器產生較大的電壓 、電流突變以及電壓 、電流畸 變 , 從而對電機性能產生不良影響 。 因此 , 取必要的措施 , 弱化變頻器的不利因素 , 有利的方向發(fā)展 。4. 1/d t, 即功率 , 大電流下關斷 , 處于強 迫開關過程 。高電壓下導通是造成
19、在功率器件導 通瞬間產生高幅值 d v /d t 的直接原因 。 設想一下 ,如果采用零電壓下導通 , 隨后輸出電壓平穩(wěn)上升 ,那么就不會產生電壓突變 , d v /d t 問題也就迎刃而 解了 。諧振軟性開關逆變電路的提出 , 提供了解決 硬性開關電路所造成的高幅值 d v /d t 問題的有效 途徑 。 在諧振軟性開關電路中 , 功率開關器件是在 零電壓條件下導通 , 因此也就不存在硬性開關電 路在高電壓下強迫功率開關器件導通時產生的電 壓突變 , 因此也就不存在高幅值的 d v /d t 問題 。目前諧振軟性開關逆變電路已經用于低壓航 空電源 , 在大功率范圍的實際應用上 , 這類逆變器 還存在著一些需要解決的問題 。 但是可以預計 , 隨 著技術的成熟 、 問題的解決 , 諧振軟性開關逆變技 術將會成為新一代變頻器的主流技術 。 4. 2在交流輸出側接入交流電抗器在變頻器的逆變輸出端設置交流電抗器可以 十分有效地抑制逆變輸出端產生的高次諧波電流 , 最大限度地保留電機原有的電氣壽命 。 又由于交流電抗器可以使高幅值的 d v /d t 造成的線路脈 沖電流受到抑制 , 因此也就使得變頻器的過載保 護功能變得言符其實了 。 4. 3強制散熱措施為適
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