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文檔簡介
1、變頻器對電機(jī)性能的影響及其對策曾岳南(廣東工業(yè)大學(xué) ,廣東 廣州 510090摘要 :目前廣泛使用的變頻器都會產(chǎn)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(jī)性能的影響 , 同時給出了一些解決問題的方法 。 關(guān)鍵詞 :異步電動機(jī) ; 變頻器 ; 高次諧波 ; 脈沖電壓 中圖分類號 :T M 433文獻(xiàn)標(biāo)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(nóng)業(yè)以及國防 等各個領(lǐng)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(chǎn)品質(zhì)量以及提高工業(yè)自動化程度方面做出巨 大貢獻(xiàn)的同時也將產(chǎn)生一些負(fù)面效應(yīng) 。 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(jī)損耗增加 , 而且會產(chǎn)生影響郵電 通訊設(shè)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(jī)內(nèi)部存在寄生電容 , 因此 對
4、應(yīng)于功率開關(guān)器件的導(dǎo)通瞬間 , 將會產(chǎn)生正比 于 C (d v /d t 的脈沖電流序列 , 脈沖電流序列將導(dǎo) 致變頻器工況惡化 , 影響電動機(jī)的性能 , 引起漏電 流保護(hù)動作 。 充分認(rèn)識諸如此類的不利因素 , 不僅 有益于改進(jìn)變頻器的設(shè)計 、 完善各種防護(hù)措施 , 而 且對研究 、設(shè)計非正弦供電下的電動機(jī)也具有一 定的現(xiàn)實指導(dǎo)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(jī)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(jī)性能的影響當(dāng)變頻器以 PWM 方式向電動機(jī)提供脈沖電 壓序列時 , 采用開關(guān)時間很短的全控型器件后 , 對 應(yīng)于開關(guān)器件
5、的導(dǎo)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(fù)載上 , 將會產(chǎn)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(guān)器件承受很大瞬 時電流及瞬時功耗 , 而且會導(dǎo)致電容性負(fù)載受到 損傷 。(1 d v /d t 對電機(jī)絕緣的影響 三相 Y 接交流異步電動機(jī) A 、 B 兩相之間的簡 化等效電路與簡化的開關(guān)控制如圖 1所示 。 圖中 :U d 為直流母線電壓 ; Cm 表示電機(jī)繞組間的等效 寄生電容 ; K 表示功率開關(guān)器件 ; L 表示線圈電感 ; R 表示線圈電阻 。取功率開關(guān)器件的最小導(dǎo)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(guān)斷開后并聯(lián)回路的圖 1 簡化的異步電動機(jī)開關(guān)控制等效電路圖諧振因素 ;2 開關(guān)導(dǎo)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(jī)繞組間存在寄生電容 , 所以對應(yīng)于功率開關(guān)器件的導(dǎo)通瞬間 , 將會產(chǎn)生峰 值達(dá) 5. 6A 的脈沖電流 。 當(dāng)開關(guān)器件以很高的頻率 通斷時 , 電機(jī)繞組絕緣將反復(fù)承受峰值很高的脈 沖電流 , 致使電機(jī)絕緣承受
7、相當(dāng)嚴(yán)酷的電應(yīng)力 。 如 此長期下去 , 將會加劇絕緣老化過程 , 造成電機(jī)絕 緣損傷 , 嚴(yán)重時絕緣被擊穿 , 縮短了電機(jī)使用壽 命 。圖 2為 某 公 司 生 產(chǎn) 的 變 頻 器 驅(qū) 動 型 號 為A02-8014, 功率為 550W 的三相交流異步電動機(jī)的測試結(jié)果 。 頻率給定值為 30H z , 開關(guān)頻率值為 3kH z , 電機(jī)帶 54. 5%的額定負(fù)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(jī) 。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(dá)到 12A 。 脈沖電
8、流的幅值不完全一致 , 這跟電機(jī)內(nèi)部的反電動勢以及并 聯(lián)回路的諧振因素有關(guān) 。(2 d v /d t 對電機(jī)軸承的影響近年來 , 人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用高載波頻率的電壓型PWM 變頻器驅(qū)動電動機(jī)時 , 會發(fā)生電動機(jī)軸承圈呈現(xiàn)槽狀損壞現(xiàn)象。 軸承損壞的機(jī)理可能是 d v /d t 或靜 電感應(yīng)造成潤滑油膜擊穿導(dǎo)致的電火花加工作用。由于定子與轉(zhuǎn)子之間 , 轉(zhuǎn)子與機(jī)殼之間以及 電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承中存在寄生電容 。 因此 , 當(dāng)幅值很高 的 d v /d t 作用在這些電容上時 , 不僅會產(chǎn)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(zhuǎn)子軸電壓升高 。兩者都會引起潤 滑油膜
9、擊穿 , 生產(chǎn)電火花加工作用并導(dǎo)致電機(jī)軸 承損壞 。3諧波對電動機(jī)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(jī)繞組兩端將產(chǎn)生諧波電流 。 諧波對電機(jī)性能將產(chǎn)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(rèn) 為電機(jī)電路是線性的 , 則根據(jù)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(jī)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(zhuǎn)差率 。由于基波
10、轉(zhuǎn)差率 S 1很小 , 因此對于高次諧波旋 轉(zhuǎn)磁場 , 由式 (2 可知 , 可以認(rèn)為 S k =1。 此外 , 考慮到勵磁電抗 X m 一般比定 、 轉(zhuǎn)子漏電抗 X sl 和 X rl 要大 得多 , 因此可以對圖 3進(jìn)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(jī)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(jù)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(jī)諧波等效電路圖2000年 10月 曾岳南 變頻器對電機(jī)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(diào)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(chǎn)生的附加損耗(1 諧波電流產(chǎn)生的附加銅損耗諧波電流流過電機(jī)定 、轉(zhuǎn)子繞組時產(chǎn)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(zhuǎn)子異
12、步電動機(jī) , 可以忽略定子繞組集膚效應(yīng) , 而籠型轉(zhuǎn)子的集膚效應(yīng)可以用轉(zhuǎn)子電阻增大系數(shù) k r k 來等效 。 當(dāng)考慮集膚效應(yīng)時 , 應(yīng)對式 (6進(jìn)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(yīng)的影響 , 諧波電流產(chǎn)生的附加銅損耗將進(jìn)一步增大 。(2 諧波電流產(chǎn)生的附加鐵損耗同步速旋轉(zhuǎn) , 可以生鐵損耗。 , 諧波電流產(chǎn)生的磁場以不同倍數(shù)的同步速相對于定、 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) , 所以它在轉(zhuǎn)子鐵心中也要產(chǎn)生附加鐵損耗。 諧波磁場相對于定、 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度雖然不同 , 但比較接近 , 而且諧波次數(shù)越高 , 兩者越接近。 為簡
13、化計算 , 近似認(rèn)為諧波磁場在定、 轉(zhuǎn)子鐵心中的交變頻率相同 , 等于基波頻率乘以諧波次數(shù)。 則 k 次諧波電流產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)子鐵心的質(zhì)量 。由于諧波電流與基波電流產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)子鐵芯中產(chǎn)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(shù)成反比 。 提高調(diào)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(yīng)減小 。(3 諧波電流產(chǎn)生的附加雜散損耗 。諧波電流產(chǎn)生的磁場將產(chǎn)生附加雜散損耗 。 附加雜散損耗主要包括 :1 定 、 轉(zhuǎn)子端部諧波漏磁 場在鐵心端部產(chǎn)生的鐵損耗 ; 2 斜槽轉(zhuǎn)子中的扭 斜諧波漏磁場產(chǎn)生的附加鐵損耗 。端部諧波漏磁 , 準(zhǔn)確計算由它們 , 一般可進(jìn)行近似 。, 故可參照前面計算附 。 k 次諧波電流產(chǎn)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(chǎn)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(shù) 成反比 。 提高調(diào)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(jī)定、 轉(zhuǎn)子繞組 時產(chǎn)生附加損耗 , 該損耗將導(dǎo)致電機(jī)溫升增加。 3. 3諧波對電機(jī)效率的影響諧波電流產(chǎn)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(jī)效率為 :1=P /(P + P 1 (% (15 式中 , P 為電動機(jī)的輸出功率 P 1為正統(tǒng)波電源 供電時電機(jī)的總損耗 。考慮電源諧波影響
17、時 , 電機(jī)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(xué)博 士 , 研究方向為電力電子與電力傳動控制 技術(shù) 。式 (16 表明 , 由于電流諧波產(chǎn)生附加損耗 , 使得 電機(jī)效率下降。 對于不同容量、 不同運(yùn)行工況以及不 同 PWM 方式供電的電動機(jī) , 效率降低的情況不同 , 但一般認(rèn)為至少可以使電機(jī)效率降低 1%-3%。 3. 4諧波對電機(jī)功率因數(shù)的影響變頻器的諧波分量 , 不僅會使電機(jī)電流增大 、 效率下降 , 同時還會使電機(jī)的無功功率增加 。 電機(jī) 的無功功率不僅與電源中的諧波有關(guān)
18、 , 而且還與 電機(jī)參數(shù)以及運(yùn)行狀態(tài)有關(guān) 。因此對于不同類型的電源和電機(jī) , 電源諧波對電機(jī)功率因數(shù)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(jī)功率因數(shù)明顯降低 。4對策變頻器通過對功率開關(guān)器件進(jìn)行快速的通斷 控制 , 實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)而有效的變壓變頻 , 達(dá)到控制電機(jī) 轉(zhuǎn)速的目的 。 也正是這種開關(guān)工作狀態(tài) , 使得變頻 器產(chǎn)生較大的電壓 、電流突變以及電壓 、電流畸 變 , 從而對電機(jī)性能產(chǎn)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(guān)斷 , 處于強(qiáng) 迫開關(guān)過程 。高電壓下導(dǎo)通是造成
19、在功率器件導(dǎo) 通瞬間產(chǎn)生高幅值 d v /d t 的直接原因 。 設(shè)想一下 ,如果采用零電壓下導(dǎo)通 , 隨后輸出電壓平穩(wěn)上升 ,那么就不會產(chǎn)生電壓突變 , d v /d t 問題也就迎刃而 解了 。諧振軟性開關(guān)逆變電路的提出 , 提供了解決 硬性開關(guān)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(guān)電路中 , 功率開關(guān)器件是在 零電壓條件下導(dǎo)通 , 因此也就不存在硬性開關(guān)電 路在高電壓下強(qiáng)迫功率開關(guān)器件導(dǎo)通時產(chǎn)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(guān)逆變電路已經(jīng)用于低壓航 空電源 , 在大功率范圍的實際應(yīng)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(yù)計 , 隨 著技術(shù)的成熟 、 問題的解決 , 諧振軟性開關(guān)逆變技 術(shù)將會成為新一代變頻器的主流技術(shù) 。 4. 2在交流輸出側(cè)接入交流電抗器在變頻器的逆變輸出端設(shè)置交流電抗器可以 十分有效地抑制逆變輸出端產(chǎn)生的高次諧波電流 , 最大限度地保留電機(jī)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(hù)功能變得言符其實了 。 4. 3強(qiáng)制散熱措施為適
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