驯服调速电机-理解谐波和电机问题可提高系统可靠性

1、驯服调速电机理解谐波和电机问题可提高系统可靠性应用说明如果我们想驯服可变速驱动器电路,就需要将它分为两个部分:输入和输出。对测试设备的要求会根据我们对哪一端进行测量而所有不同。在输入端,我们需要使用像 Fluke 43B 电力质量分析仪这样的谐波分析仪来测量真有效值电流以及谐波电流和功率因数。在输出端,我们需要使用相同的谐波分析仪来检查电机电流,并使用像 ScopeMeter® 199C 这样的快速示波表来检查电机电压。两种仪表都具有很高的抗电磁干扰能力,在驱动器输出电缆上的快速脉冲附近进行测量时,需要具有这种抗干扰能力。降低驱动器输入处的谐波如果驱动器与一个三相电源系统相连,则任一

2、相上的电流波形将会具有与图 1 相类似的双顶点波形。这种波形通常五次和七次谐波,如所伴随的频谱所示。可以使用谐波滤波器来降低这些谐波。脉宽调制 (PWM 电机驱动器已成为交流调速电机驱动器的首选,特别是对于低马力至中马力的应用。该技术与其它配置相比具有明显优点,原因是它的成本通常不高且效率更高,可为输入电力线带来较少的谐波问题。在故障排查方面,需要具有一定技巧。为了更好地了解使用 PWM 驱动器时通常所遇到的问题,首先让我们来看一下可变速驱动器的基本构成部分。它的电路简单明了:输入电路包含一个全波二极管桥路,它可对电源电压进行整流,并将电容器组充电至与输入电压的半波峰值相等的一个直流电压。驱动

3、器的输出级包含一些快速开关功率晶体管,它们可将直流电压斩波为一系列施加到电机导线的窄电压脉冲。脉冲的高度与电容器组上的直流数值相同,但脉冲的宽度经过调制(或改变,使得电机电流接近于一个正弦波。驱动器电路可以非常高效,因为输入二极管和输出晶体管都不会生成很多热量。一般来说,调速电机驱动器方面的问题可分为两类:1.由驱动器的输入电路产生的电力线谐波。2.由输出电路引起的电机问题。图1三相 PWM 驱动器的输入电流波形和相关频谱相整流器电流波形波频谱图 2 三相 PWM 驱动器的陷波滤波器当使用一个单一大型驱动器时,可以在驱动器输入端安装一个陷波滤波器。市售陷波滤波器的典型配置如图 2 所示。电容的

4、值由驱动器的功率额定值决定,所选择的电感要使电路在略微低于五次谐波的频率上发生谐振。这些值会大大降低到达用电位置的五次和七次谐波的量。另外,电容器将会在 60 Hz 电源频率处提供一些功率因数校正。如果您想询问某种滤波器的报价,滤波器设计人员可能会要求您提供系统的一张单线连接图、驱动器的功率额定值、测量得到的谐波频谱以及驱动器满负载电流的功率因数。而后两项可非常方便地通过手持式谐波分析仪及进行测量。排查电机问题绕组绝缘故障是电机问题的最主要原因。绝缘损坏就意味着进行更换或重新缠绕,如果您手头没有足够的备用品,就会转变为一个物流供应问题。绕组绝缘故障可能源于过热、电压过高或两者都有。不幸的是,一

5、个使用不当的可变速驱动器可能会同时出现这两种情况。当驱动器与电机之间的距离超过驱动器厂商的最大电缆长度规格时,就可能会产生过电压。在这方面,理论上并不涉及国家电气规范。相反,它要受到射频传输线路方面的法律制约。要记住在驱动器输出端子处所发生的事情。非常快速的上升脉冲正在被送到具有分布的电感和电容的一组导体中。这就是说,电缆就像是一个传输线路。每个脉冲都以接近光速的速度沿电缆行进。当上升沿碰到电机电感时,它就会被反射回电源,并在这里加到脉冲的基本值上。所得到的组合会给每个脉冲的上升沿加上一个尖峰脉冲。这些脉冲可能高达基本脉冲值的两倍。电缆越长,这一问题就越糟糕。为了能看到这种效应,您需要使用带宽

6、至少为 10 MHz 并且能够在PWM 波形上触发的示波表或便携式ScopeMeter 测试工具。(参见图 3。如果您计划在离电机的距离超过驱动器厂商最大电缆长度规格的位置安装一个可变速驱动器,则一定要征得有关输出滤波器或降低过电压尖峰问题的其它方法的建议。图 3 驱动器和电机之间具有很长电缆的PWM 驱动器输出上的电压波形。第二个绝缘故障类别是过热。温度升高是由铜损过高、冷却不足或二者的组合引起的。电机过热问题常常可归结为电机转矩能力和负载要求之间的不匹配。请记住,转矩由电流产生,而铜损与电流的平方成正比。如果负载是一条要求在低rpm 下具有高转矩而几乎没有什么冷却的传送带,在电机规格不适当

7、时就可能产生过热。另一方面,如果负载是遵守流体力学定律的泵或风机,则转矩要求将随转速的增加而下降。当驱动器与特定电机和负载组合相匹配时,一个重要的测量参数就是驱动器输出的电压频率乘积。电机理论说,随着 rpm 的降低,降低也必须降低。测量电压频率乘积可能需要很高技巧,除非您使用具有电磁干扰屏蔽能力、足以在可变速输出端子上快速上升的时间脉冲附近进行测量的测试工具。问题会因以下事实而变得更加复杂:一个真有效值数字式万用表 (DMM 在电压输出上测量得到的读数将会偏高,因为 DMM 将对电机感觉不到的高频成分产生响应。如果您需要测量可变速驱动器的电压频率乘积,那么下面是可帮助您获得良好读数的一些建议

8、:z通过测量电机电流的频率而获得频率值。电流波形实际上接近于正弦波,因此,对它进行测量比对 PWM电压信号进行测量要容易得多。z使用一个具有频率测量功能的具有良好屏蔽的一体式钳形表,如Fluke 337。也可以使用一个可在电流测量功能中显示频率的数字式万用表(如 Fluke189,并使用一个可连接到仪表的电流输入端的交流电流互感器型夹钳附件。最好使用电流互感器型附件(仅限交流,因为它的 mA 信号会进入一个低阻抗输入,与用于 mV 信号的高阻抗输入相比,该输入不易受噪声影响。z使用一个可读取输出电压的基频成分(仅限此成分rms 值的谐波分析仪来测量电机电压。此值会低于真有效值电压,但它将在非常接近于电机实际感觉到的电压处产生响应。最后,有一点是肯定的:可变速驱动器应该在这个位置。小心地按照这些原理和方法进行,可帮助您利用其优点,并确保它们有利于(而不是不利于您的应用。安全地工作电力系统中存在的高电压和高电流可能会通过电击或烧伤而引起严重人身伤害。因此,只有拥有一般电气系统以及被测试设备方面的知识并经过培训的有经验的电工人员,才可以对电气系统执行测试和改动。福禄克公司无法预先周全想到您在执行这里所介绍的测量时所必须采取的所有可能预防措施。但是,您至少应该:z使用适宜的人身安全防护用品,如安全眼镜、绝缘手套、绝缘垫等。z确保已关闭所有电源并上锁,并在所有与电路部件直接接触