交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)諧波分析與高頻軸電流的預(yù)防措施Used

1、交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)諧波分析與高頻軸電流的預(yù)防措施1 引言現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)普遍采用pwm 技術(shù)，以及具有快速切換頻率的電力電子器件，如igbt，其開關(guān)頻率是傳統(tǒng)晶閘管的幾十倍以上，在大幅提高系統(tǒng)性能的同時(shí)，也給系統(tǒng)帶來了大量的諧波，諧波一方面對(duì)電網(wǎng)造成電力污染，另一方面對(duì)傳動(dòng)設(shè)備也帶來不利的影響。2 諧波與諧波分析2.1 諧波的產(chǎn)生機(jī)理對(duì)于交 -直- 交變頻器，由于采用開關(guān)切換技術(shù)，其輸出不再是正弦波，而是階梯波。此階梯波可以分解為正弦基波與高次諧波。如果這些諧波三相平衡，在電機(jī)中將產(chǎn)生不同轉(zhuǎn)速的圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，但是與基波電流產(chǎn)生的圓形磁動(dòng)勢(shì)相比，這些諧波電流在旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)速和幅值上都不同。輸出到

2、電機(jī)上的總磁動(dòng)勢(shì)可以看作是基波及各次諧波磁動(dòng)勢(shì)之和，它不再是圓形的，其速度與幅值隨時(shí)間而變化，因此產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩含有諧波分量，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)，影響傳動(dòng)精度和增加電機(jī)損耗。在傳統(tǒng)交直交變頻器中，每個(gè)功率元件在輸出一個(gè)周期中的導(dǎo)通時(shí)間在 23電角度之間，輸出波形如圖1 所示，為正、負(fù)半波對(duì)稱的階梯波。圖1 所示波形用傅立葉級(jí)數(shù)表示為 :式中， 1為變頻器輸出基波角頻率，k 為變頻器輸出諧波次數(shù)，k=1 ，3， 5，7 ， 圖 1 傳統(tǒng)交直交變壓變頻器電壓輸出波形圖 1 中電壓波形呈1/4 周期對(duì)稱，在傅立葉級(jí)數(shù)展開后，系數(shù)bk=0 ，所以式 (1)等價(jià)于 :根據(jù)圖 1 ，將式 (2) 積分展

3、開，得 :由于輸出波形對(duì)稱，所以不存在偶數(shù)諧波，故可以令k=2m-1 ，得，當(dāng) 2m-1=3 ，9， 15， 時(shí)，式 (4) 等于 0，所以除去偶次諧波外，3 的倍數(shù)次諧波也等于 0，只有 5， 7， 11， 13，等 6m±1 次諧波存在。對(duì)于常用的180°導(dǎo)通型的變壓變頻器，=0，其傅立葉級(jí)數(shù)為:由此可見，隨著諧波次數(shù)k 的增大，輸出的各次諧波幅值以1/k 的比例減小。其5 次諧波幅值為基波的20% ，7 次為基波的14.3% ， 11 次為基波的9% ，其余依次類推。現(xiàn)代交流傳動(dòng)廣泛地應(yīng)用了正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)(spwm), spwm技術(shù)使輸出電壓、電流接近正弦波 ,

4、但是由于使用了載波對(duì)正弦波信號(hào)調(diào)制, 產(chǎn)生了與載波有關(guān)的諧波分量。典型雙極型spwm 變壓變頻器的輸出波形見圖2。圖 2 典型雙極型spwm 變壓變頻器的輸出波形spwm 輸出電壓的諧波a 為 :spwm 變壓變頻器不存在偶次諧波和3 倍數(shù)次諧波。 spwm 變頻器在其載波頻率及其倍數(shù)的頻帶附近諧波比較多，即當(dāng)n=1,3,5, 時(shí)，諧波出現(xiàn)在k=0, ±2, ±4, 處 。 n=2,4,6， 時(shí)，諧波出現(xiàn)在k=± 1, ± 3, ± 5,處 。 spwm 變頻器輸出諧波與pwm 控制參數(shù)有關(guān)，如載波比n 等(載波比 n= 載波頻率 /調(diào)制波頻率

5、 )。提高載波比n 可以使變頻器的輸出波形接近正弦波，但系統(tǒng)中高次諧波仍然存在。變頻器諧波與pwm 控制模式有關(guān)，pwm 的模式也有多種，如準(zhǔn)最優(yōu)pwm 模式、開關(guān)損耗最小pwm 模式、 sapwm 模式。3 軸電流分析3.1 低頻軸電流軸電流產(chǎn)生的原因是由于采用了變頻技術(shù)，或者電機(jī)制造中產(chǎn)生的不對(duì)稱，從而在電機(jī)轉(zhuǎn)軸兩端產(chǎn)生軸電流。這些軸電流往往頻率不高，屬于低頻軸電流。一般而言，交流傳動(dòng)系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生軸電流，但是大多數(shù)系統(tǒng)的軸電流幅值較小，沒有達(dá)到危害程度。如果系統(tǒng)的軸電流較大，可能會(huì)損壞電機(jī)軸承，甚至齒輪箱軸承。因?yàn)闈L動(dòng)軸承的油膜一般比較薄，對(duì)軸電壓比較敏感，軸電流流過滾動(dòng)體與內(nèi)外圈的細(xì)微接

6、觸點(diǎn)時(shí)，如果電壓比較高，內(nèi)外圈表面的接觸面就會(huì)出現(xiàn)擊穿的痕跡。一般要求滾動(dòng)軸承的軸電壓小于300mv 。3.2 高頻軸電流現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)和制造工藝幾乎已經(jīng)消除了低頻軸電流，但是現(xiàn)代交流傳動(dòng)系統(tǒng)由于采用 pwm 變頻供電方式和使用 igbt 等快速切換元件，所以在軸承上會(huì)產(chǎn)生高頻電流脈沖。如果這些脈沖的能量足夠高，就會(huì)損壞軸承，被損壞軸承的形狀呈間斷的燒傷條紋如圖 3 所示。圖 3 軸電流在軸承上產(chǎn)生的燒傷條紋電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。圖 4 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖典型三相正弦電源是平衡的，即三相的矢量和總是等于零。由于前述pwm 電源存在諧波，所以 pwm 電源的三相輸出電壓的矢量和不為

7、零，導(dǎo)致中性點(diǎn)的電壓不等于零，這個(gè)電壓可以定義為共模電壓源。任何時(shí)候，當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體通過絕緣體隔離開后就產(chǎn)生電容。例如，電纜的相線與pe 線之間有 pvc 絕緣電容，所以電機(jī)繞組與外殼有鍍層和片間絕緣有電容。電纜間電容，尤其是電機(jī)內(nèi)部的電纜間電容非常小，小電容意味著對(duì)低頻的高阻抗，可以阻止低頻雜散電流。然而對(duì)于高頻電流，即使電機(jī)內(nèi)電容很小，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低阻抗通道使電流可以通過。每次三相逆變輸出的一相由一種電壓狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正比于該電壓的電流，通過輸出電路所有元件的接地電容流向大地。電流通過接地導(dǎo)體和逆變器的雜散電容流回電源。由于系統(tǒng)不可避免地存在寄生電容，所以在較高的dv/dt

8、 下，高頻電壓會(huì)產(chǎn)生容性寄生電流。高頻軸電流有幾種形式，有高頻循環(huán)電流、軸對(duì)地電流、容性放電電流等。(1) 高頻循環(huán)電流定子對(duì)地電壓vsng 含有大量諧波 , 其峰值可達(dá) ±1/2vsourse ，由于定子與機(jī)座之間存在寄生電容 csf ，所以存在容性電流，這些容性電流在定子上生成高頻磁通，并在電機(jī)軸的兩端感應(yīng)出高頻電壓。如果電壓足夠高，能夠克服軸承油膜的阻抗，就會(huì)產(chǎn)生軸電流。這個(gè)電流在由軸、軸承、定子機(jī)座之間形成回路，稱做高頻循環(huán)電流，見圖4 中 i1。在這種情況下，電機(jī)可以看作是一個(gè)變壓器，流經(jīng)定子外殼的共模電流可以看作是一次側(cè)，并在轉(zhuǎn)子電路，即二次側(cè)，感應(yīng)出循環(huán)電流。該軸承電流

9、被認(rèn)為最具危害性。電流幅值取決于電機(jī)的額定功率、交流傳動(dòng)功率元件的du/dt 和直流電壓，典型峰值為 3 20a 。由于齒輪箱對(duì)地也有寄生電容，所以還存在另一種循環(huán)電流，即圖4 中的 i2，它是流經(jīng)齒輪箱軸和軸承的電流，該電流會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備構(gòu)成威脅。(2) 軸對(duì)地電流泄露到定子機(jī)座的電流形成軸對(duì)地電流，而任何流回去的回路都含有阻抗，因此電機(jī)機(jī)座的電壓相對(duì)于電源的地電壓升高。如果電機(jī)軸是經(jīng)過齒輪箱接地的，則電機(jī)軸承的電壓升高。如果電壓足夠高，能夠克服電機(jī)傳動(dòng)側(cè)軸承油膜的阻抗，電流就會(huì)流過傳動(dòng)側(cè)軸承。該電流就是高頻軸對(duì)地電流。(3) 容性放電電流共模電壓的內(nèi)部電壓分量在電機(jī)內(nèi)部雜散電容上會(huì)產(chǎn)生軸電壓

10、，該電壓可能高到會(huì)產(chǎn)生高頻軸電流脈沖。如果電機(jī)的軸沒有經(jīng)過齒輪箱接地, 電機(jī)機(jī)座是標(biāo)準(zhǔn)接地的話，則容易形成容性放電電流。對(duì)于大型交流電機(jī)，由于電流較大, 所以感應(yīng)的軸電流也比較大，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)說明，在軸承處可達(dá)數(shù)安培/mm2 ，所以，極易使軸承損壞。4 高頻軸電流的預(yù)防措施4.1 低頻軸電流的預(yù)防措施一般來說 , 防止高頻軸電流產(chǎn)生的常規(guī)措施有如下幾種:(1) 增加接地碳刷 , 使轉(zhuǎn)軸接地。(2) 使用絕緣軸承。(3) 使用對(duì)稱電纜。(4) 增加補(bǔ)償變壓器。(5) 增加絕緣板。4.2 高頻軸電流的預(yù)防措施以下是防止高頻軸電流的幾種有效措施:(1) 選擇正確的電纜·必須選用對(duì)稱的多芯電纜

11、，電纜的接地線(pe ，保護(hù)接地 )必須對(duì)稱排列。·電纜的屏蔽層選用銅編制帶，因?yàn)殂~的導(dǎo)電性能優(yōu)越，屏蔽效果比較好。·屏蔽層的總截面積應(yīng)不小于相線的1/2 。·電纜頭兩端做360°的接頭，并分別與變頻柜和電機(jī)內(nèi)接地端連接。(2) 安裝高頻濾波器只要變頻器處的高頻諧波存在，就會(huì)產(chǎn)生共模電流，所以如果能夠?qū)Ω哳l電流進(jìn)行衰減，則可以在源頭上抑制軸電流。在變頻器的輸出線上安裝共模濾波器，具體措施為:在三相對(duì)稱電纜的外面套上濾波器磁環(huán)，使高頻電流在磁環(huán)中被吸收。由于高頻電流會(huì)產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，所以濾波器可以做成非接觸式。一般濾波器有普通電源濾波器和開關(guān)電源濾波器。普通

12、濾波器的原理是設(shè)計(jì)一組扼流圈， 2 個(gè)電感繞在同一磁環(huán)上，匝數(shù)相等，繞相相反，使兩個(gè)線圈中流過的共模電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內(nèi)相互抵消，從而達(dá)到濾波效果。但是普通濾波器的帶寬不夠，不能消除 10khz 以上的諧波，對(duì)于高頻電流，一般采用開關(guān)電源濾波器。典型電路如圖5 所示。圖 5 開關(guān)電源濾波器的典型電路開關(guān)電源濾波器中的電容一般要求電感值比較小，這樣諧振頻率高，抑制高頻電流的效果好。某線材廠主電機(jī)的變頻柜內(nèi)已經(jīng)安裝了共模濾波器，與安裝前相比，在電機(jī)側(cè)的高頻電流值明顯有所下降。(3) 均衡接地電壓由于存在雜散電容，在同一根電纜的屏蔽層( 都已接地 )上兩端 (逆變器側(cè)與電機(jī)側(cè)) 的地電壓實(shí)際上并非完全一致，這樣在電纜上存在壓降，就會(huì)存在電流。所以，可以考慮均衡接地電壓，降低電纜屏蔽層上的壓降，從而降低軸電流。具體做法是在現(xiàn)場(chǎng)安裝一個(gè)共用接地母排，然后將各電機(jī)接地端子與之相連接。由于變頻柜內(nèi)的接地線是引自系統(tǒng)總的接地裝置，從而將電機(jī)與逆變器的接地電壓均衡，降低電壓降。另外，可以考慮降低電機(jī)電纜屏蔽線的接地電阻，使該電纜上部分電流在通過電機(jī)軸承之前直接接地，分流流經(jīng)軸承的電流。5 結(jié)束語 有關(guān)高頻電流的預(yù)防措施研究在國(guó)內(nèi)還不是很成熟，也沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)來定義高頻軸電流的危害程度。而隨著大功率、高切換頻率功率元件的運(yùn)用逐漸普及，高頻軸電流的危害的加劇，也