变频器对电机性能的影响及其对策

1、变频器对电机性能的影响及其对策曾岳南(广东工业大学 ,广东 广州 510090摘要 :目前广泛使用的变频器都会产生不同程度的高次谐波和 dv/dt 问题 。 为此 , 本文着重分析了高次谐 波和 dv/dt 对异步电动机性能的影响 , 同时给出了一些解决问题的方法 。 关键词 :异步电动机 ; 变频器 ; 高次谐波 ; 脉冲电压 中图分类号 :T M 433文献标识码 :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 文章编号 :1005 7277(2000 05 000

3、9 04电气传动自动化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 、农业以及国防 等各个领域 , 在未来世界中将会扮演愈来愈重要 的角色 。然而 , 变频器在节能 、 改善人类生活环境 、 提 高产品质量以及提高工业自动化程度方面做出巨 大贡献的同时也将产生一些负面效应 。 例如 :变频 器的输出电压和电流中含有高次谐波 , 高次谐波 不仅会引起电机损耗增加 , 而且会产生影响邮电 通讯设备正常工作的电磁干扰 ; 由于电源线路存 在分布电容以及电动机内部存在寄生电容 , 因此 对

4、应于功率开关器件的导通瞬间 , 将会产生正比 于 C (d v /d t 的脉冲电流序列 , 脉冲电流序列将导 致变频器工况恶化 , 影响电动机的性能 , 引起漏电 流保护动作 。 充分认识诸如此类的不利因素 , 不仅 有益于改进变频器的设计 、 完善各种防护措施 , 而 且对研究 、设计非正弦供电下的电动机也具有一 定的现实指导意义 。 为此 , 本文着重分析了 d v /d t 以及谐波对异步电动机性能的影响 , 同时给出一 些解决问题的方案 。2d v /d t 对电机性能的影响当变频器以 PWM 方式向电动机提供脉冲电 压序列时 , 采用开关时间很短的全控型器件后 , 对 应于开关器件

5、的导通瞬间 , 脉冲电压具有很高的 电压变化率 d v /d t 。 如果这些脉冲电压作用在电容 性负载上 , 将会产生正比于 C (d v /d t 的脉冲电流 序列 , 该电流不仅使得功率开关器件承受很大瞬 时电流及瞬时功耗 , 而且会导致电容性负载受到 损伤 。(1 d v /d t 对电机绝缘的影响 三相 Y 接交流异步电动机 A 、 B 两相之间的简 化等效电路与简化的开关控制如图 1所示 。 图中 :U d 为直流母线电压 ; Cm 表示电机绕组间的等效 寄生电容 ; K 表示功率开关器件 ; L 表示线圈电感 ; R 表示线圈电阻 。取功率开关器件的最小导通时间 T r =0.

6、1S , 直流母线电压为 560V , 等效电容 C m =1000p F 。 为 简化分析 , 假定 :1 不考虑开关断开后并联回路的图 1 简化的异步电动机开关控制等效电路图谐振因素 ;2 开关导通瞬间电容两端的电压为零 。 则脉冲电流幅值为 :I P =C m d t =C mT r=1000×10-120. 1×10-6=5. 6(A (1由此可见 , 由于电机绕组间存在寄生电容 , 所以对应于功率开关器件的导通瞬间 , 将会产生峰 值达 5. 6A 的脉冲电流 。 当开关器件以很高的频率 通断时 , 电机绕组绝缘将反复承受峰值很高的脉 冲电流 , 致使电机绝缘承受

7、相当严酷的电应力 。 如 此长期下去 , 将会加剧绝缘老化过程 , 造成电机绝 缘损伤 , 严重时绝缘被击穿 , 缩短了电机使用寿 命 。图 2为 某 公 司 生 产 的 变 频 器 驱 动 型 号 为A02-8014, 功率为 550W 的三相交流异步电动机的测试结果 。 频率给定值为 30H z , 开关频率值为 3kH z , 电机带 54. 5%的额定负载 。 测试与记录仪器 为 :存储示波器 PHI LIPS PM 3365A 100MH z , EP 2SON FX -850打印机 。由图 2可见 , 在基波电流上叠加着一些脉冲电 流 , 脉冲电流的最大幅值达到 12A 。 脉冲电

8、流的幅值不完全一致 , 这跟电机内部的反电动势以及并 联回路的谐振因素有关 。(2 d v /d t 对电机轴承的影响近年来 , 人们发现当使用高载波频率的电压型PWM 变频器驱动电动机时 , 会发生电动机轴承圈呈现槽状损坏现象。 轴承损坏的机理可能是 d v /d t 或静 电感应造成润滑油膜击穿导致的电火花加工作用。由于定子与转子之间 , 转子与机壳之间以及 电机转子轴承中存在寄生电容 。 因此 , 当幅值很高 的 d v /d t 作用在这些电容上时 , 不仅会产生正比于 C (d v /d t 的脉冲充电电流 , 而且还会由于电容的 累积作用使得转子轴电压升高 。两者都会引起润 滑油膜

9、击穿 , 生产电火花加工作用并导致电机轴 承损坏 。3谐波对电动机性能的影响变频器以 PWM 方式输出的脉冲电压序列除包含基波电压外 , 还包含一系列谐波电压分量 , 谐波 电压分量作用在电机绕组两端将产生谐波电流 。 谐波对电机性能将产生不良影响 。 3. 1谐波等效电路及谐波电流估算如果不考虑铁心饱和等非线性因素的影响 , 认 为电机电路是线性的 , 则根据叠加原理 , 可以将各 次谐波电源分别加到同一个稳态等效电路上 。 对于k 次谐波电压和电流 , 三上异步电动机的稳态等效电路如图 3所示 。, k S k =k ±(1-S 1/k(2式中 , S 1为基波转差率 。由于基波

10、转差率 S 1很小 , 因此对于高次谐波旋 转磁场 , 由式 (2 可知 , 可以认为 S k =1。 此外 , 考虑到励磁电抗 X m 一般比定 、 转子漏电抗 X sl 和 X rl 要大 得多 , 因此可以对图 3进一步简化 , 如图 4所示。一般来讲 R s X sl 、 R r X r l , 若电机定子绕组 为 星 型 接 法 , 则 k 5, 因 此 (R s +R r 2与 (k X s l +kX r l 2相比要小得多 , 于是根据图 4可以得到 :I sk k (X sl +X r l (3则 , 总的谐波电流有效值为 :I hk = 5I 2sk(4相电流有效值为 :I

11、 =I +k 5I 2sk(5 10 第 22卷第 5期电气传动自动化 图 2电流波形图 4简化的异步电动机谐波等效电路图2000年 10月 曾岳南 变频器对电机性能的影响及其对策 11由式 (5 可以看出 , 含有谐波的相电流有效值高于基波相电流有效值 , 如果提高调制频率 , 则幅值较大的谐波分量将朝着频率增大的方向移动 ,由式 (3 、 (4 可知 , 谐波电流有效值将减小 。3. 2谐波电流产生的附加损耗(1 谐波电流产生的附加铜损耗谐波电流流过电机定 、转子绕组时产生的铜损耗为 : p cuk = I 2sk (R s +R r (6对于定子绕组线圈为多匝圆形铜线绕制的笼型铸铝转子异

12、步电动机 , 可以忽略定子绕组集肤效应 , 而笼型转子的集肤效应可以用转子电阻增大系数 k r k 来等效 。 当考虑集肤效应时 , 应对式 (6进行修正 , 修正后的算式为 : p cuk = I 2sk (R s +k r k R r (7式 (7 表明 , 由于集肤效应的影响 , 谐波电流产生的附加铜损耗将进一步增大 。(2 谐波电流产生的附加铁损耗同步速旋转 , 可以生铁损耗。 , 谐波电流产生的磁场以不同倍数的同步速相对于定、 转子旋转 , 所以它在转子铁心中也要产生附加铁损耗。 谐波磁场相对于定、 转子的旋转速度虽然不同 , 但比较接近 , 而且谐波次数越高 , 两者越接近。 为简

13、化计算 , 近似认为谐波磁场在定、 转子铁心中的交变频率相同 , 等于基波频率乘以谐波次数。 则 k 次谐波电流产生的附加铁损可用下式计算 :p F ek =pF el(B k /B 1 2(f k /f 1 1. 5(G s +G 2 /(8式中 , PFel 为基波磁场在定子铁心中产生的铁损 耗 ; Bk /B 1和 f k /f 1分别为 k 次谐波磁通密度幅值 和频率与基波磁通密度幅值和频率之比 ; G s 和 G r 分别为定 、 转子铁心的质量 。由于谐波电流与基波电流产生的磁动势在空 间分布规律相同 , 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 分别为基波和 k 次谐波电 流产生的每极磁通和气隙电动势 。又由于谐波与基波气隙电动势之比近似等于 谐波与基波电压之比 , 即E k /E 1 U k /U N (10 将式 (9 与式 (10 代入到式 (8 , 并考虑到 (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 , 谐波电流在定 、 转子铁芯中产生 的附加铁损耗与谐波电压分量的幅值成正比 , 与 谐波次数成反比 。 提高调制频率后 , 幅值较高的电 压谐波分量将向频率增大的方向移动 , 则谐波铁

15、 损耗相应减小 。(3 谐波电流产生的附加杂散损耗 。谐波电流产生的磁场将产生附加杂散损耗 。 附加杂散损耗主要包括 :1 定 、 转子端部谐波漏磁 场在铁心端部产生的铁损耗 ; 2 斜槽转子中的扭 斜谐波漏磁场产生的附加铁损耗 。端部谐波漏磁 , 准确计算由它们 , 一般可进行近似 。, 故可参照前面计算附 。 k 次谐波电流产生的 附加杂散损耗用下式表示 : p sk =p sl (B k /B 1 2/(f k /f 1 1. 5(12 与前述相同 , 将式 (9 与式 (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 , 谐波电流产生附加杂散 损耗与谐波电压分量的幅值成正比 , 与谐波次数 成反比 。 提高调制频率后 , 幅值较高的电压谐波分 量将向频率增大的方向移动 , 则附加杂散损耗将 减少 。以上分析表明 , 谐波电流流过电机定、 转子绕组 时产生附加损耗 , 该损耗将导致电机温升增加。 3. 3谐波对电机效率的影响谐波电流产生的总附加损耗为 : P k = P Cuk + P Fek + P sk (14 正弦波电源供电、 无谐波损耗时的电机效率为 :1=P /(P + P 1 (% (15 式中 , P 为电动机的输出功率 P 1为正统波电源 供电时电机的总损耗 。考虑电源谐波影响

17、时 , 电机的效率则为 :h =P /(P + P 1+ P k (% (16收稿日期 :2000-04-27曾岳南 男 , 1962年 2月生 , 讲师 , 工学博 士 , 研究方向为电力电子与电力传动控制 技术 。式 (16 表明 , 由于电流谐波产生附加损耗 , 使得 电机效率下降。 对于不同容量、 不同运行工况以及不 同 PWM 方式供电的电动机 , 效率降低的情况不同 , 但一般认为至少可以使电机效率降低 1%-3%。 3. 4谐波对电机功率因数的影响变频器的谐波分量 , 不仅会使电机电流增大 、 效率下降 , 同时还会使电机的无功功率增加 。 电机 的无功功率不仅与电源中的谐波有关

18、 , 而且还与 电机参数以及运行状态有关 。因此对于不同类型的电源和电机 , 电源谐波对电机功率因数的影响 自然也有所不同 。 但总地说来 , 供电电源中的谐波 分量将造成电机功率因数明显降低 。4对策变频器通过对功率开关器件进行快速的通断 控制 , 实现经济而有效的变压变频 , 达到控制电机 转速的目的 。 也正是这种开关工作状态 , 使得变频 器产生较大的电压 、电流突变以及电压 、电流畸 变 , 从而对电机性能产生不良影响 。 因此 , 取必要的措施 , 弱化变频器的不利因素 , 有利的方向发展 。4. 1/d t, 即功率 , 大电流下关断 , 处于强 迫开关过程 。高电压下导通是造成

19、在功率器件导 通瞬间产生高幅值 d v /d t 的直接原因 。 设想一下 ,如果采用零电压下导通 , 随后输出电压平稳上升 ,那么就不会产生电压突变 , d v /d t 问题也就迎刃而 解了 。谐振软性开关逆变电路的提出 , 提供了解决 硬性开关电路所造成的高幅值 d v /d t 问题的有效 途径 。 在谐振软性开关电路中 , 功率开关器件是在 零电压条件下导通 , 因此也就不存在硬性开关电 路在高电压下强迫功率开关器件导通时产生的电 压突变 , 因此也就不存在高幅值的 d v /d t 问题 。目前谐振软性开关逆变电路已经用于低压航 空电源 , 在大功率范围的实际应用上 , 这类逆变器 还存在着一些需要解决的问题 。 但是可以预计 , 随 着技术的成熟 、 问题的解决 , 谐振软性开关逆变技 术将会成为新一代变频器的主流技术 。 4. 2在交流输出侧接入交流电抗器在变频器的逆变输出端设置交流电抗器可以 十分有效地抑制逆变输出端产生的高次谐波电流 , 最大限度地保留电机原有的电气寿命 。 又由于交流电抗器可以使高幅值的 d v /d t 造成的线路脉 冲电流受到抑制 , 因此也就使得变频器的过载保 护功能变得言符其实了 。 4. 3强制散热措施为适