馴服調(diào)速電機(jī)-理解諧波和電機(jī)問(wèn)題可提高系統(tǒng)可靠性

1、馴服調(diào)速電機(jī)理解諧波和電機(jī)問(wèn)題可提高系統(tǒng)可靠性應(yīng)用說(shuō)明如果我們想馴服可變速驅(qū)動(dòng)器電路,就需要將它分為兩個(gè)部分:輸入和輸出。對(duì)測(cè)試設(shè)備的要求會(huì)根據(jù)我們對(duì)哪一端進(jìn)行測(cè)量而所有不同。在輸入端,我們需要使用像 Fluke 43B 電力質(zhì)量分析儀這樣的諧波分析儀來(lái)測(cè)量真有效值電流以及諧波電流和功率因數(shù)。在輸出端,我們需要使用相同的諧波分析儀來(lái)檢查電機(jī)電流,并使用像 ScopeMeter® 199C 這樣的快速示波表來(lái)檢查電機(jī)電壓。兩種儀表都具有很高的抗電磁干擾能力,在驅(qū)動(dòng)器輸出電纜上的快速脈沖附近進(jìn)行測(cè)量時(shí),需要具有這種抗干擾能力。降低驅(qū)動(dòng)器輸入處的諧波如果驅(qū)動(dòng)器與一個(gè)三相電源系統(tǒng)相連,則任一

2、相上的電流波形將會(huì)具有與圖 1 相類(lèi)似的雙頂點(diǎn)波形。這種波形通常五次和七次諧波,如所伴隨的頻譜所示?？梢允褂弥C波濾波器來(lái)降低這些諧波。脈寬調(diào)制 (PWM 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器已成為交流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的首選,特別是對(duì)于低馬力至中馬力的應(yīng)用。該技術(shù)與其它配置相比具有明顯優(yōu)點(diǎn),原因是它的成本通常不高且效率更高,可為輸入電力線(xiàn)帶來(lái)較少的諧波問(wèn)題。在故障排查方面,需要具有一定技巧。為了更好地了解使用 PWM 驅(qū)動(dòng)器時(shí)通常所遇到的問(wèn)題,首先讓我們來(lái)看一下可變速驅(qū)動(dòng)器的基本構(gòu)成部分。它的電路簡(jiǎn)單明了:輸入電路包含一個(gè)全波二極管橋路,它可對(duì)電源電壓進(jìn)行整流,并將電容器組充電至與輸入電壓的半波峰值相等的一個(gè)直流電壓。驅(qū)動(dòng)

3、器的輸出級(jí)包含一些快速開(kāi)關(guān)功率晶體管,它們可將直流電壓斬波為一系列施加到電機(jī)導(dǎo)線(xiàn)的窄電壓脈沖。脈沖的高度與電容器組上的直流數(shù)值相同,但脈沖的寬度經(jīng)過(guò)調(diào)制(或改變,使得電機(jī)電流接近于一個(gè)正弦波。驅(qū)動(dòng)器電路可以非常高效,因?yàn)檩斎攵O管和輸出晶體管都不會(huì)生成很多熱量。一般來(lái)說(shuō),調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方面的問(wèn)題可分為兩類(lèi):1.由驅(qū)動(dòng)器的輸入電路產(chǎn)生的電力線(xiàn)諧波。2.由輸出電路引起的電機(jī)問(wèn)題。圖1三相 PWM 驅(qū)動(dòng)器的輸入電流波形和相關(guān)頻譜相整流器電流波形波頻譜圖 2 三相 PWM 驅(qū)動(dòng)器的陷波濾波器當(dāng)使用一個(gè)單一大型驅(qū)動(dòng)器時(shí),可以在驅(qū)動(dòng)器輸入端安裝一個(gè)陷波濾波器。市售陷波濾波器的典型配置如圖 2 所示。電容的

4、值由驅(qū)動(dòng)器的功率額定值決定,所選擇的電感要使電路在略微低于五次諧波的頻率上發(fā)生諧振。這些值會(huì)大大降低到達(dá)用電位置的五次和七次諧波的量。另外,電容器將會(huì)在 60 Hz 電源頻率處提供一些功率因數(shù)校正。如果您想詢(xún)問(wèn)某種濾波器的報(bào)價(jià),濾波器設(shè)計(jì)人員可能會(huì)要求您提供系統(tǒng)的一張單線(xiàn)連接圖、驅(qū)動(dòng)器的功率額定值、測(cè)量得到的諧波頻譜以及驅(qū)動(dòng)器滿(mǎn)負(fù)載電流的功率因數(shù)。而后兩項(xiàng)可非常方便地通過(guò)手持式諧波分析儀及進(jìn)行測(cè)量。排查電機(jī)問(wèn)題繞組絕緣故障是電機(jī)問(wèn)題的最主要原因。絕緣損壞就意味著進(jìn)行更換或重新纏繞,如果您手頭沒(méi)有足夠的備用品,就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)物流供應(yīng)問(wèn)題。繞組絕緣故障可能源于過(guò)熱、電壓過(guò)高或兩者都有。不幸的是,一

5、個(gè)使用不當(dāng)?shù)目勺兯衮?qū)動(dòng)器可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)這兩種情況。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)之間的距離超過(guò)驅(qū)動(dòng)器廠商的最大電纜長(zhǎng)度規(guī)格時(shí),就可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。在這方面,理論上并不涉及國(guó)家電氣規(guī)范。相反,它要受到射頻傳輸線(xiàn)路方面的法律制約。要記住在驅(qū)動(dòng)器輸出端子處所發(fā)生的事情。非?？焖俚纳仙}沖正在被送到具有分布的電感和電容的一組導(dǎo)體中。這就是說(shuō),電纜就像是一個(gè)傳輸線(xiàn)路。每個(gè)脈沖都以接近光速的速度沿電纜行進(jìn)。當(dāng)上升沿碰到電機(jī)電感時(shí),它就會(huì)被反射回電源,并在這里加到脈沖的基本值上。所得到的組合會(huì)給每個(gè)脈沖的上升沿加上一個(gè)尖峰脈沖。這些脈沖可能高達(dá)基本脈沖值的兩倍。電纜越長(zhǎng),這一問(wèn)題就越糟糕。為了能看到這種效應(yīng),您需要使用帶寬

6、至少為 10 MHz 并且能夠在PWM 波形上觸發(fā)的示波表或便攜式ScopeMeter 測(cè)試工具。(參見(jiàn)圖 3。如果您計(jì)劃在離電機(jī)的距離超過(guò)驅(qū)動(dòng)器廠商最大電纜長(zhǎng)度規(guī)格的位置安裝一個(gè)可變速驅(qū)動(dòng)器,則一定要征得有關(guān)輸出濾波器或降低過(guò)電壓尖峰問(wèn)題的其它方法的建議。圖 3 驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間具有很長(zhǎng)電纜的PWM 驅(qū)動(dòng)器輸出上的電壓波形。第二個(gè)絕緣故障類(lèi)別是過(guò)熱。溫度升高是由銅損過(guò)高、冷卻不足或二者的組合引起的。電機(jī)過(guò)熱問(wèn)題常常可歸結(jié)為電機(jī)轉(zhuǎn)矩能力和負(fù)載要求之間的不匹配。請(qǐng)記住,轉(zhuǎn)矩由電流產(chǎn)生,而銅損與電流的平方成正比。如果負(fù)載是一條要求在低rpm 下具有高轉(zhuǎn)矩而幾乎沒(méi)有什么冷卻的傳送帶,在電機(jī)規(guī)格不適當(dāng)

7、時(shí)就可能產(chǎn)生過(guò)熱。另一方面,如果負(fù)載是遵守流體力學(xué)定律的泵或風(fēng)機(jī),則轉(zhuǎn)矩要求將隨轉(zhuǎn)速的增加而下降。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器與特定電機(jī)和負(fù)載組合相匹配時(shí),一個(gè)重要的測(cè)量參數(shù)就是驅(qū)動(dòng)器輸出的電壓頻率乘積。電機(jī)理論說(shuō),隨著 rpm 的降低,降低也必須降低。測(cè)量電壓頻率乘積可能需要很高技巧,除非您使用具有電磁干擾屏蔽能力、足以在可變速輸出端子上快速上升的時(shí)間脈沖附近進(jìn)行測(cè)量的測(cè)試工具。問(wèn)題會(huì)因以下事實(shí)而變得更加復(fù)雜:一個(gè)真有效值數(shù)字式萬(wàn)用表 (DMM 在電壓輸出上測(cè)量得到的讀數(shù)將會(huì)偏高,因?yàn)?DMM 將對(duì)電機(jī)感覺(jué)不到的高頻成分產(chǎn)生響應(yīng)。如果您需要測(cè)量可變速驅(qū)動(dòng)器的電壓頻率乘積,那么下面是可幫助您獲得良好讀數(shù)的一些建議

8、:z通過(guò)測(cè)量電機(jī)電流的頻率而獲得頻率值。電流波形實(shí)際上接近于正弦波,因此,對(duì)它進(jìn)行測(cè)量比對(duì) PWM電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量要容易得多。z使用一個(gè)具有頻率測(cè)量功能的具有良好屏蔽的一體式鉗形表,如Fluke 337。也可以使用一個(gè)可在電流測(cè)量功能中顯示頻率的數(shù)字式萬(wàn)用表(如 Fluke189,并使用一個(gè)可連接到儀表的電流輸入端的交流電流互感器型夾鉗附件。最好使用電流互感器型附件(僅限交流,因?yàn)樗?mA 信號(hào)會(huì)進(jìn)入一個(gè)低阻抗輸入,與用于 mV 信號(hào)的高阻抗輸入相比,該輸入不易受噪聲影響。z使用一個(gè)可讀取輸出電壓的基頻成分(僅限此成分rms 值的諧波分析儀來(lái)測(cè)量電機(jī)電壓。此值會(huì)低于真有效值電壓,但它將在非常接近于電機(jī)實(shí)際感覺(jué)到的電壓處產(chǎn)生響應(yīng)。最后,有一點(diǎn)是肯定的:可變速驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該在這個(gè)位置。小心地按照這些原理和方法進(jìn)行,可幫助您利用其優(yōu)點(diǎn),并確保它們有利于(而不是不利于您的應(yīng)用。安全地工作電力系統(tǒng)中存在的高電壓和高電流可能會(huì)通過(guò)電擊或燒傷而引起嚴(yán)重人身傷害。因此,只有擁有一般電氣系統(tǒng)以及被測(cè)試設(shè)備方面的知識(shí)并經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的有經(jīng)驗(yàn)的電工人員,才可以對(duì)電氣系統(tǒng)執(zhí)行測(cè)試和改動(dòng)。福祿克公司無(wú)法預(yù)先周全想到您在執(zhí)行這里所介紹的測(cè)量時(shí)所必須采取的所有可能預(yù)防措施。但是,您至少應(yīng)該:z使用適宜的人身安全防護(hù)用品,如安全眼鏡、絕緣手套、絕緣墊等。z確保已關(guān)閉所有電源并上鎖,并在所有與電路部件直接接觸