變頻器對電機(jī)端電壓和軸承電流影響的研究

變頻器對電機(jī)端電壓和軸承電流影響的研究

0du/dt濾波器電力電子技術(shù)的發(fā)展提高了供電裝置的開關(guān)頻率，縮短了裝置電壓的上升時間。輸出功率大于200gw的igb的開關(guān)頻率可達(dá)到2.20hz，這改善了vm變流器的性能。然而,器件電壓上升時間的縮短給電機(jī)的絕緣帶來了不良的影響,當(dāng)電壓的變化率達(dá)到6000V/μs時,易引起電機(jī)繞組絕緣過早損壞。特別是在一些工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,PWM變流器與驅(qū)動電機(jī)可能處于不同的位置,需要用較長電纜連接,而長電纜的傳輸有可能導(dǎo)致PWM脈沖在電機(jī)端產(chǎn)生過電壓,更加重了電機(jī)繞組絕緣的負(fù)擔(dān)。du/dt濾波器放置在變頻器輸出端,能有效地延長變頻器輸出端PWM脈沖的上升時間,降低電壓的變化率,對保護(hù)電機(jī)的絕緣有較好的作用。國外一些文獻(xiàn)提出了幾種du/dt濾波器的電路結(jié)構(gòu):文獻(xiàn)提出了一種LC濾波器的設(shè)計(jì)方法,其優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單,參數(shù)設(shè)計(jì)容易,但要求增大開關(guān)頻率,加重了器件的負(fù)擔(dān),對于大功率的變流器系統(tǒng)并不適用;文獻(xiàn)提出了一種LRC濾波器的設(shè)計(jì)方法,要求該濾波器的阻抗與電纜的特性阻抗相匹配,對參數(shù)匹配的要求較高,而電纜的各項(xiàng)特性參數(shù)并不容易測量,實(shí)施起來難度較大;文獻(xiàn)提出了一種基于二極管箝位的du/dt濾波器的結(jié)構(gòu),其優(yōu)點(diǎn)是濾波效果好,輸出電壓的斜率可以通過改變LC參數(shù)隨意調(diào)節(jié)而不用擔(dān)心輸出的超調(diào),缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不容易實(shí)現(xiàn)工程化。本文在分析du/dt對電機(jī)端電壓影響的基礎(chǔ)上,研究了一種LRC濾波器的設(shè)計(jì)方法,并且進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證,證明此濾波器有較好的效果,并且由于其電路結(jié)構(gòu)簡單,較易實(shí)現(xiàn)工程化。1電機(jī)端產(chǎn)生0.5倍接頭PWM脈沖在電纜中是以波的形式傳輸?shù)?在理想的狀態(tài)下,波通過4次反射完成一個循環(huán)。根據(jù)波的傳播特性以及電壓反射理論分析,可以大體確定由反射產(chǎn)生的電機(jī)端過電壓的峰值。PWM脈沖從變頻器輸出到電機(jī)端的傳輸時間tt為:式中:v——波在電纜中的傳輸速度,——電纜單位長度電感值,Cc——電纜單位長度電容值);lc——電纜長度。PWM脈沖從變頻器端發(fā)出,經(jīng)過傳輸時間tt后,到達(dá)電機(jī)端,在電機(jī)端產(chǎn)生反射,所形成的反射波重新回到變頻器端,反射波幅值Vt為:式中:ΓL——負(fù)載端的反射系數(shù);tr——PWM脈沖上升時間;Vdc——直流母線電壓。反射波經(jīng)電纜到達(dá)變頻器輸出端,而變頻器端的反射系數(shù)Γs通常接近-1(變頻器通常認(rèn)為是低阻抗的電源)。因此,此時從變頻器端產(chǎn)生的反射波幅值反向,經(jīng)過3次傳輸之后,逐漸增加的電機(jī)端過電壓被變頻器端產(chǎn)生的反射波逐漸衰減,此時決定了電機(jī)端過電壓所能達(dá)到的最大峰值。根據(jù)傳輸線理論和電壓的反射原理,經(jīng)過3次反射之后,PWM脈沖在電機(jī)端產(chǎn)生的反射電壓的峰值Vpeak為:例如電纜參數(shù)取:單位電容Cc=0.0328nF/m,單位電感Lc=1.18μH/m,單位電阻Rc=18mΩ/m,可計(jì)算出脈沖在電纜中的傳播速度電纜長度為50m,則電纜的傳輸時間tt為0.31μs。若反射系數(shù)ΓL為0.8(大功率電機(jī)反射系數(shù)為0.8左右),PWM脈沖上升時間為0.2μs,由式(3)計(jì)算可得,在電機(jī)端上將產(chǎn)生0.8倍直流母線電壓的過電壓;如果將輸出電壓的上升時間延長到1.5μs,計(jì)算可得,在電機(jī)端能產(chǎn)生0.5倍過電壓。由此得出結(jié)論:PWM脈沖上升時間的長短直接影響在電機(jī)端產(chǎn)生的過電壓的大小。2電機(jī)的模擬系統(tǒng)電機(jī)在PWM脈沖的高頻分量作用下會呈現(xiàn)與工頻時不同的特性,因此電機(jī)在工頻下的等效電路不適用于對電機(jī)端過電壓的研究,那么必須研究一種通用的電機(jī)模型,這種模型應(yīng)適用于高頻和低頻分量。文獻(xiàn)提出了一種電機(jī)模型(圖1),它能有效地反映高頻分量對電機(jī)的影響。690V/600kW等級電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)取值如圖2所示。PSpice仿真軟件中帶有長電纜的模型(圖3),可方便地調(diào)用仿真。在PSpice中建立長電纜和電機(jī)的高頻模型,仿真參數(shù)如下:若電纜參數(shù)取第1節(jié)中所提參數(shù),那么電纜的特性阻抗電纜長度為40m;傳輸時間為0.26μs。電機(jī)取690V/600kW等級電機(jī)參數(shù),變流器直流母線電壓為920V,在不加任何濾波器的情況下,仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可以得知,PWM脈沖通過長電纜傳輸之后,在電機(jī)端產(chǎn)生的過電壓峰值為1.35kV左右,過電壓為430V,du/dt為2076V/μs。3頻率濾波仿真目前,在工業(yè)變流領(lǐng)域中,du/dt濾波器已經(jīng)成為變頻器非常重要的一部分,國外一些公司實(shí)現(xiàn)了du/dt濾波器的模塊化(如ABB和西門子公司),下面介紹一種LRC濾波電路及其參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。LRCdu/dt濾波器電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。對于輸出三相中的任何一相而言,RLC濾波器頻域中的傳遞函數(shù)為:濾波器的轉(zhuǎn)折頻率,濾波器能有效地衰減ωc以上的頻率分量。根據(jù)傅里葉級數(shù)分析可知,PWM脈沖所包含的最高頻分量取決于PWM脈沖的邊沿上升斜率,并且最高頻分量的頻率合理地選取濾波參數(shù),濾除一部分PWM脈沖的高頻分量,能有效地延長PWM脈沖的上升時間,降低du/dt。當(dāng)電阻R取值不同時,濾波器的阻尼也不相同:R取值越大,阻尼越大,超調(diào)量越小,但對轉(zhuǎn)折頻率以上高頻分量的濾除效果越差;R取值越小,阻尼越小,超調(diào)量越大,但對轉(zhuǎn)折頻率以上的高頻分量的濾波效果越明顯。若電感、電容參數(shù)不變,當(dāng)R分別為2Ω、11Ω、100Ω時,在PSpice中仿真波形如圖7所示。由圖7可以得出結(jié)論:R=11Ω時,在電機(jī)端產(chǎn)生的過電壓最低,du/dt最小,效果最好。電阻取值過小,濾波器本身輸出的電壓超調(diào)量增大,導(dǎo)致電機(jī)端過電壓增大,從而達(dá)不到預(yù)期的目的;電阻取值過大,濾波器對轉(zhuǎn)折頻率以上的高頻分量的濾波效果不理想,并不能有效地延長電壓的上升時間,從而還是導(dǎo)致電機(jī)端產(chǎn)生較大的電壓尖峰。電阻的選取,需要權(quán)衡濾波器的超調(diào)量和對高頻分量的濾除效果,由仿真結(jié)果可以得知,阻尼系數(shù)取最佳阻尼系數(shù)0.707時,對電機(jī)端過電壓的抑制效果最優(yōu)。4電機(jī)模型的建立電機(jī)端電壓過大的du/dt還有可能導(dǎo)致電機(jī)軸承的潤滑油膜被擊穿,在軸承上產(chǎn)生高頻電流,導(dǎo)致電機(jī)的軸承被電腐蝕。為了研究電機(jī)端電壓的du/dt對軸承電流的影響,首先建立軸承電流的模型,文獻(xiàn)提出了一種可以計(jì)算電機(jī)軸承電流的電機(jī)模型。電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子各等效電容模型如圖8所示。建立軸承電流等效集中參數(shù)模型(圖9)。在PSpice中建立仿真模型,690V/600kW電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)取值為:Csr=10nF;Csf=80nF;Crf=40nF;Cb=10nF;Rb=2.5MΩ;Zg=0.01Ω。在變頻器輸出端沒有任何濾波器的情況下,仿真波形如圖10所示。由圖10可知,未加任何濾波器的情況下,PWM脈沖高頻分量在電機(jī)軸承上產(chǎn)生的高頻電流(EDM電流)峰值為7.5A。變頻器輸出端加LRC濾波器,參數(shù)為:L=5μH,R=11Ω,C=81nF,仿真波形如圖11所示。由圖11可以得知,加du/dt濾波器之后,軸承電流明顯減小,其峰值在1A左右。5直流母線電壓在試驗(yàn)室中搭建試驗(yàn)平臺,試驗(yàn)條件:電機(jī)為690V/600kW電機(jī);電纜長度30m;直流母線電壓為920V;濾波器參數(shù)為L=5μH,C=80nF,R=10Ω。變頻器輸出端未帶濾波器與帶濾波器的電機(jī)端線電壓波形分別如圖12和圖13所示。對比圖12和圖13可以得出結(jié)論:輸出端加LRC濾波器的變頻器對抑制電機(jī)端過電壓有良好的效果。6濾波器的阻尼系數(shù)本文闡述了長電纜導(dǎo)致電機(jī)端產(chǎn)生過電壓的原因和PWM脈沖導(dǎo)致產(chǎn)生軸承電流的原因,給出了一種LRC濾波器的設(shè)計(jì)方法。仿真的結(jié)論和試驗(yàn)結(jié)果均證實(shí)了濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性,濾波器能有效地抑制電機(jī)端的過電壓和軸承電流。變頻器PWM脈沖的上升時間以及電纜的長度直接決定了電機(jī)端過電壓的大小,濾波器傳遞函數(shù)的阻尼系數(shù)直接影響濾波器的濾波效果,在設(shè)計(jì)濾波器時必須綜合考慮各項(xiàng)因素。若變頻器輸出的PWM脈沖電壓上升時間為0.2μs(由開關(guān)器件上升時間決定),可得其最高頻分量的頻率如果系統(tǒng)要求將du/dt降為原來的1/10,即將上升時間延長10倍,達(dá)到2μs,則PWM脈沖中所包含的最高頻分量為,換算成角頻率ω1=2πf=1.57×106rad/s。將濾波器的轉(zhuǎn)折頻率設(shè)定為ωc=ω1