高压变频器对电动机的影响

1、高压变频技术东北大学边春元2011.8 东北大学东北大学内容介绍高压变频器对电网的影响高压变频器对电网的影响三电平三电平PWMPWM电压源变频器原理电压源变频器原理三电平三电平PWMPWM整流控制策略整流控制策略PWMPWM整流的基本原理整流的基本原理高压变频器对电动机的影响高压变频器对电动机的影响三电平三电平PWMPWM逆变控制策略逆变控制策略大容量多电平变换器发展概述大容量多电平变换器发展概述IGCTIGCT系统现存问题初步探讨系统现存问题初步探讨功率器件概述功率器件概述 东北大学东北大学四、高压变频器对电动机的影响l本讲主要从高压变频器本讲主要从高压变频器输出谐波输出谐波引起引起谐波发热

2、和转矩脉动、谐波发热和转矩脉动、du/dt、共模电压、噪声、共模电压、噪声等方面讨论高压变频器对电动机的等方面讨论高压变频器对电动机的影响及解决办法，以及变频专用电动机的设计要点。影响及解决办法，以及变频专用电动机的设计要点。 高压变频器输出电动机的影响主要取决于高压变频器输出电动机的影响主要取决于逆变电路的逆变电路的结构和特性结构和特性。 美国的美国的NEMA标准标准MGI-1993中对电动机谐波发热、中对电动机谐波发热、du/dt和共模电压等方面有相应的规定。和共模电压等方面有相应的规定。 东北大学东北大学1 1、输出谐波对电动机的影响、输出谐波对电动机的影响l输出谐波对电动机的输出谐波对

3、电动机的影响影响主要有：谐波引起电动机附加发热、导致电主要有：谐波引起电动机附加发热、导致电动机的额外温升，电动机往往要降额使用。动机的额外温升，电动机往往要降额使用。由于输出波形失真，增加电动机的重复峰值电压，影响电动机绝缘；由于输出波形失真，增加电动机的重复峰值电压，影响电动机绝缘；谐波还会引起电动机转矩脉动、噪声增加。谐波还会引起电动机转矩脉动、噪声增加。l高次谐波引起的高次谐波引起的损耗损耗增加主要表现在：定子铜损耗、转子铜损耗、铁增加主要表现在：定子铜损耗、转子铜损耗、铁损耗及附加损耗的增加。损耗及附加损耗的增加。影响最为显著的是影响最为显著的是转子铜损耗转子铜损耗，因为电动机转子是

4、以接近基波频率旋转速，因为电动机转子是以接近基波频率旋转速度旋转的，因此对于高次谐波电压来说，转子总是在转差率接近度旋转的，因此对于高次谐波电压来说，转子总是在转差率接近1的状态的状态下旋转，所以转子铜损耗较大；下旋转，所以转子铜损耗较大；在这种状态下，除了直流电阻引起的铜损耗外，还必须考虑由于在这种状态下，除了直流电阻引起的铜损耗外，还必须考虑由于集肤效应集肤效应所产生的实际阻抗增加而引起的铜损耗。所产生的实际阻抗增加而引起的铜损耗。 东北大学东北大学普通的电流源型变频器普通的电流源型变频器l其输出电流波形和输入电流波形极为相似，都是其输出电流波形和输入电流波形极为相似，都是120度的方波，

5、含有度的方波，含有丰富的谐波成分，总谐波电流失真可达到丰富的谐波成分，总谐波电流失真可达到30%左右。左右。l为了降低输出谐波，也有采用输出为了降低输出谐波，也有采用输出12脉波方案脉波方案或设置或设置输出滤波器输出滤波器，输，输出波形会有较大改善，但系统的成本和复杂性也会大大增加。出波形会有较大改善，但系统的成本和复杂性也会大大增加。l输出滤波器换相式电流源型变频器输出滤波器换相式电流源型变频器固有的滤波器可以起到一定的滤波固有的滤波器可以起到一定的滤波作用，所以速度较高时，电动机电流波形有所改善。作用，所以速度较高时，电动机电流波形有所改善。lGTO-PWM电流源型电流源型变频器输出电流质

6、量的提高主要通过变频器输出电流质量的提高主要通过GTO采用采用谐谐波消除的电流波消除的电流PWM开关模式开关模式来实现，但受到来实现，但受到GTO开关频率上限的限开关频率上限的限制。制。 东北大学东北大学三电平变频器三电平变频器l三电平变频器与普通的二电平三电平变频器与普通的二电平PWM变频器相比，由于输出变频器相比，由于输出相电压电平数增加，每个电平幅值相对下降，提高了输出相电压电平数增加，每个电平幅值相对下降，提高了输出电压谐波消除算法的自由度；电压谐波消除算法的自由度；l在相同开关频率的前提下，可使输出波形质量比二电平在相同开关频率的前提下，可使输出波形质量比二电平PWM变频器有较大的提

7、高，但输出电压谐波失真仍达变频器有较大的提高，但输出电压谐波失真仍达29%，电动机电流谐波失真达电动机电流谐波失真达17%；l须采取须采取专用电动机专用电动机，如要采用普通电动机，必须设置，如要采用普通电动机，必须设置输出输出滤波器滤波器。 东北大学东北大学单元串联多电平变频器单元串联多电平变频器l当输出电压为当输出电压为6kv等级时，典型的输出电压总谐波失真小于等级时，典型的输出电压总谐波失真小于7%，大大低于普通电流源型变频器和三电平变频器；，大大低于普通电流源型变频器和三电平变频器；l采用了采用了多电平移相式多电平移相式PWM控制控制，输出谐波的频率主要集中，输出谐波的频率主要集中在在4

8、.57.5kHz范围内，且都低于范围内，且都低于5%；l一般的异步电动机，工频时阻抗为一般的异步电动机，工频时阻抗为16%左右，相对左右，相对5kHz的的谐波，其阻抗约为谐波，其阻抗约为1600%，其产生的各次谐波电流约小于，其产生的各次谐波电流约小于0.3%，符合，符合MGI-1993中小于中小于1%的要求；的要求；l电动机基本不会产生附加的谐波发热、噪声和转矩脉动，电动机基本不会产生附加的谐波发热、噪声和转矩脉动，不必设置输出滤波器，可直接使用普通的异步电动机。不必设置输出滤波器，可直接使用普通的异步电动机。 东北大学东北大学脉动转矩的影响脉动转矩的影响l普通电流源型变频器的输出电流不是正

9、弦波，而是普通电流源型变频器的输出电流不是正弦波，而是120度的方波度的方波，电动机的电磁转矩除了，电动机的电磁转矩除了平均转矩平均转矩以以外，还有外，还有脉动分量脉动分量。l脉动转矩的平均值为脉动转矩的平均值为0，但它会使转子的，但它会使转子的转速不均转速不均匀匀，产生脉动；，产生脉动；l在在低速低速时，还会发生时，还会发生步进现象；步进现象；在适当的条件下，在适当的条件下，可能引起电动机与负载组成的机械系统的可能引起电动机与负载组成的机械系统的共振共振。 东北大学东北大学脉动转矩的分析脉动转矩的分析l脉动转矩主要是由脉动转矩主要是由基波旋转磁通和转子谐波电流相互作用产生基波旋转磁通和转子谐

10、波电流相互作用产生的。的。l在三相电动机中，产生脉动转矩的主要是在三相电动机中，产生脉动转矩的主要是6n1次谐波。次谐波。6脉动输出电脉动输出电流源型变频器输出电流中含有丰富的流源型变频器输出电流中含有丰富的5次和次和7次谐波，次谐波，5次谐波产生的旋次谐波产生的旋转磁动势与基波旋转磁动势转磁动势与基波旋转磁动势反向反向，7次谐波产生的旋转磁动势与基波旋次谐波产生的旋转磁动势与基波旋转磁动势转磁动势同向同向，而电动机转子的电气旋转速度基本接近基波磁动势的，而电动机转子的电气旋转速度基本接近基波磁动势的旋转速度（两者的差别对应于电动机的转差率），所以旋转速度（两者的差别对应于电动机的转差率），所

11、以5次谐波磁动势次谐波磁动势和和7次谐波磁动势都会在电动机转子中感应产生次谐波磁动势都会在电动机转子中感应产生6倍于基波频率的转子倍于基波频率的转子谐波电流谐波电流。基波旋转磁动势和。基波旋转磁动势和6倍频的转子谐波电流共同作用，产生倍频的转子谐波电流共同作用，产生6倍频的脉动转矩倍频的脉动转矩，所以，所以6脉波输出电流源型变频器含有较大的脉波输出电流源型变频器含有较大的6倍频脉倍频脉动转矩。动转矩。l同样，同样，11次和次和13次谐波电流也会产生次谐波电流也会产生12倍频的脉动转矩倍频的脉动转矩。 东北大学东北大学6脉波输出电流源型变频器的转矩脉动脉波输出电流源型变频器的转矩脉动l在输出频率

12、为在输出频率为30Hz时的转矩脉时的转矩脉动值（图中纵坐标采用对数坐动值（图中纵坐标采用对数坐标）。标）。l电流源型变频器采用电流源型变频器采用12脉波多脉波多重化重化后，输出电流波形有较大后，输出电流波形有较大改善，由于改善，由于5次和次和7次谐波基本次谐波基本抵消，抵消，6倍频脉动转矩大大降倍频脉动转矩大大降低低，剩下的主要为，剩下的主要为12倍频的脉倍频的脉动转矩，总的转矩脉动明显降动转矩，总的转矩脉动明显降低。低。 东北大学东北大学l脉动转矩在低速时对电动机转速的影响尤为明显。因为，脉动转矩在低速时对电动机转速的影响尤为明显。因为，对三相电动机而言，由于对三相电动机而言，由于6n6n1

13、 1次谐波存在，产生的电磁转次谐波存在，产生的电磁转矩为矩为: :011cos(6)mmnTTTntmT1转矩脉动分量的最大值；转矩脉动分量的最大值；变频器输出基波电压的角频率。变频器输出基波电压的角频率。l根据电动机运动方程，可得由于谐波原因引起的电动机转根据电动机运动方程，可得由于谐波原因引起的电动机转速的脉动分量为速的脉动分量为:1111111cos(6)sin(6)6mmmmnnTTntntJJn 东北大学东北大学转速脉动的规律及消除措施转速脉动的规律及消除措施l由上式可知，电动机的转速脉动有以下规律：由上式可知，电动机的转速脉动有以下规律：转速脉动频率分别为电动机基波角频率的转速脉动

14、频率分别为电动机基波角频率的6n倍倍；其幅值与变频器输出的其幅值与变频器输出的基波角频率（或频率基波角频率（或频率f）成反比）成反比，即输出频率（或，即输出频率（或电动机转速）越低，转速波动越大；也就是说，电动机在低速运行情况下，电动机转速）越低，转速波动越大；也就是说，电动机在低速运行情况下，为了使转速波动量维持在同一水平，对输出谐波抑制的要求更高。为了使转速波动量维持在同一水平，对输出谐波抑制的要求更高。转速脉动幅值与变频器输出的转速脉动幅值与变频器输出的谐波次数谐波次数n成反比成反比，即低次谐波所引起的转，即低次谐波所引起的转速脉动比高次谐波的影响更大。速脉动比高次谐波的影响更大。l要使

15、电动机的转速脉动较小，首先要消除或抑制变频器输要使电动机的转速脉动较小，首先要消除或抑制变频器输出的低次谐波，采取出的低次谐波，采取高频高频PWM方法方法，将输出谐波往高频推，将输出谐波往高频推移，不失为减少转速脉动的有效办法。移，不失为减少转速脉动的有效办法。 东北大学东北大学l三电平变频器：三电平变频器：在不采用输出滤波器时，也会产生较大的转矩脉动；在不采用输出滤波器时，也会产生较大的转矩脉动；采用输出滤波器后，转矩脉动可大大降低。采用输出滤波器后，转矩脉动可大大降低。l单元串联多电平变频器：单元串联多电平变频器：输出电流谐波较低，电动机的转矩脉动分量极小；输出电流谐波较低，电动机的转矩脉

16、动分量极小；在输出频率为在输出频率为30Hz时转矩脉动值，各次脉动转矩都在时转矩脉动值，各次脉动转矩都在0.1%以下（图以下（图6-43）。）。 东北大学东北大学 东北大学东北大学2 2、输出、输出du/dtdu/dt对电动机的影响对电动机的影响l由于由于PWM方式和高速电力电子器件的使用，变频器输出方式和高速电力电子器件的使用，变频器输出电电压变化率压变化率du/dt对电动机对电动机绝缘绝缘产生的影响问题也越来越严重。产生的影响问题也越来越严重。ldu/dt取决于两个方面：取决于两个方面：电压跳变台阶的幅值电压跳变台阶的幅值，它与变频器的电压等级和主电路，它与变频器的电压等级和主电路结构有关

17、；结构有关；逆变器逆变器功率器件的开关速度功率器件的开关速度，开关速度越高，开关速度越高，du/dt越大。越大。 东北大学东北大学电压跳变台阶的影响比较l普通的二电平普通的二电平由于输出电压跳变台阶较大，相电压的跳变分别达到直流母线电压，同时由由于输出电压跳变台阶较大，相电压的跳变分别达到直流母线电压，同时由于逆变器功率器件开关速度较快，会产生较大的于逆变器功率器件开关速度较快，会产生较大的du/dt相当于在电动机线圈上相当于在电动机线圈上反复施加陡度很大的冲击电压，使电动机反复施加陡度很大的冲击电压，使电动机绝缘承受严酷的电应力绝缘承受严酷的电应力，尤其当变，尤其当变频器输出与电动机之间电缆

18、距离较长时，由于线路分布电感和分布电容的存频器输出与电动机之间电缆距离较长时，由于线路分布电感和分布电容的存在，会产生在，会产生行波反射放大作用行波反射放大作用，在参数适合时，加到电动机绕组上的电压会，在参数适合时，加到电动机绕组上的电压会成倍增加，引起电动机绝缘损坏。成倍增加，引起电动机绝缘损坏。一般需要一般需要特殊设计的电动机特殊设计的电动机，电动机绝缘必须加强。如果要使用普通电动机，电动机绝缘必须加强。如果要使用普通电动机，必须必须附加输出滤波器附加输出滤波器。l三电平三电平PWM电压源型变频器电压源型变频器在相同输出电压等级前提下，相对二电平结构而言，输出在相同输出电压等级前提下，相对

19、二电平结构而言，输出du/dt有所下降有所下降；但在不加输出滤波器时，仍但在不加输出滤波器时，仍不能不能符合符合MGI的标准。的标准。 东北大学东北大学l单元串联多电平变频器单元串联多电平变频器最大的相电压跳变等于一个最大的相电压跳变等于一个单元的直流母线电压单元的直流母线电压，对，对6kv电压等级电压等级的变频器而言，约为的变频器而言，约为900V，功率单元所用，功率单元所用IGBT开通时电压上升时开通时电压上升时间为间为0.3s s，du/dtdu/dt约为约为30003000V/ s s；MGI标准允许的范围标准允许的范围为为1 1s s内从内从1010% %的相电压峰值变换到的相电压峰

20、值变换到90%90%的相电的相电压峰值，对压峰值，对6kV6kV电动机而言，约为电动机而言，约为3919V/3919V/s s。因此，该因此，该类变频器输类变频器输出出dudu/dt/dt很低，使得电动机绝缘不会受到影响，可以使用普通的异很低，使得电动机绝缘不会受到影响，可以使用普通的异步电动机。步电动机。由于输出由于输出du/dtdu/dt很低，不会产生长电缆很低，不会产生长电缆时行波反射引起的时行波反射引起的du/dtdu/dt放大放大问题问题，对输出电缆长度没特殊限制，目前使用的最长记录为，对输出电缆长度没特殊限制，目前使用的最长记录为20km20km。 东北大学东北大学3、共模电压和轴

21、电流对电动机的影响l共模电压（也叫零序电压），是指电动机定子绕组的中心共模电压（也叫零序电压），是指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。点和地之间的电压。 东北大学东北大学l由于上下直流母线的滤波电抗器大小相同，而且流过相同由于上下直流母线的滤波电抗器大小相同，而且流过相同的电流，所以每个电抗器上的压降也相同，因此以接地点的电流，所以每个电抗器上的压降也相同，因此以接地点G为参考电平，各点电压符合以下关系：为参考电平，各点电压符合以下关系：pGpGnGnGUEEUpGnGpGnGUUEEmGnGpGnGpGmGEEEUUU2/ )(2/ )(由于整流电路在同一时刻只有两相同时导通，导致整流由

22、于整流电路在同一时刻只有两相同时导通，导致整流电路输出的直流中点电压不等于供电电源中心点电压，电路输出的直流中点电压不等于供电电源中心点电压，即即:0mGU 东北大学东北大学l下下图是在晶闸管触发延迟角为图是在晶闸管触发延迟角为2020度时的各点电压波形。度时的各点电压波形。mGU中点电压中点电压 按照电网电压三倍的频率进行变化；按照电网电压三倍的频率进行变化；在晶闸管触发延迟角为在晶闸管触发延迟角为9090度时幅值达到最大。度时幅值达到最大。 东北大学东北大学l电流源型变频器逆变器的工作原理与整流器大致相同，因电流源型变频器逆变器的工作原理与整流器大致相同，因此逆变器输入直流中点对电动机中心

23、点的电压此逆变器输入直流中点对电动机中心点的电压波形波形UmG与与波形大致相同，只是波形大致相同，只是EmN的变化频率为变频器输出频率的的变化频率为变频器输出频率的三倍，会随着变频器输出频率的变化而变化。三倍，会随着变频器输出频率的变化而变化。l由于：由于： UmG = EmG= EmN+ UNG l共模电压：共模电压： UNG = UmG EmNl由于输出频率一般不等于电网频率，且不断变化，因此由于输出频率一般不等于电网频率，且不断变化，因此 UmG和和EmN的组合可以导致共模电压在某一时刻达到最大值。的组合可以导致共模电压在某一时刻达到最大值。 东北大学东北大学l由于由于UmG和和EmN

24、的最大值都可以达到额定相电压峰值的的最大值都可以达到额定相电压峰值的50%，所以共模电压最大可接近相电压的峰值；，所以共模电压最大可接近相电压的峰值；l如果电源的中心点接地，电动机的机壳也接地，这样共模如果电源的中心点接地，电动机的机壳也接地，这样共模电压就施加到电动机定子绕组的中心点和机壳之间。电压就施加到电动机定子绕组的中心点和机壳之间。l高的共模电压使电动机绕组承受的绝缘应力为电网直接运高的共模电压使电动机绕组承受的绝缘应力为电网直接运行情况下的行情况下的2倍倍，严重影响电动机绝缘。，严重影响电动机绝缘。l下下图显示了一输出电压为图显示了一输出电压为41604160V的的GTO电流源型变

25、频器的电流源型变频器的共模电压波形共模电压波形。 东北大学东北大学 东北大学东北大学l没有输入变压器没有输入变压器：共模电压会直接施加到电动机上，增加绕组对地的电应共模电压会直接施加到电动机上，增加绕组对地的电应力，引起绝缘击穿，影响电动机的使用寿命力，引起绝缘击穿，影响电动机的使用寿命；电动机绝缘必须加强，以承受共模电压。电动机绝缘必须加强，以承受共模电压。l设置输入变压器设置输入变压器（变压器二次侧中点不能接地）（变压器二次侧中点不能接地）：共模电压由输入变压器和电动机共同来承担，按照输入共模电压由输入变压器和电动机共同来承担，按照输入变压器一次、二次绕组间的分布电容和电动机绕组对机变压器

26、一次、二次绕组间的分布电容和电动机绕组对机壳间的分布电容（两个电容串联）进行分配壳间的分布电容（两个电容串联）进行分配； 东北大学东北大学由于一般输入变压器的分布电容大大小于电动机绕组对由于一般输入变压器的分布电容大大小于电动机绕组对机壳的分布电容（比如前者为后者的机壳的分布电容（比如前者为后者的1/10），这样约），这样约90%的共模电压由输入变压器来承担，只要考虑加强输的共模电压由输入变压器来承担，只要考虑加强输入变压器的绝缘即可，而变压器的绝缘加强，相对电动入变压器的绝缘即可，而变压器的绝缘加强，相对电动机要容易很多。机要容易很多。l例如：例如：4160V额定电压的电动机要求采用额定电压

27、的电动机要求采用10kV的绝缘设计，的绝缘设计，不能使用标准的异步电动机。不能使用标准的异步电动机。MGI允许允许6kV电动机可以承电动机可以承受的共模电压范围为基波相电压峰值和共模电压峰值之和受的共模电压范围为基波相电压峰值和共模电压峰值之和不超过不超过8.7kV。 东北大学东北大学lPWMPWM变频器的共模电压中含有变频器的共模电压中含有与开关频率相对应的高频分量与开关频率相对应的高频分量，高频的电压分量会通过输出电缆和电动机的分布电容产生高频的电压分量会通过输出电缆和电动机的分布电容产生对地对地高频漏电流高频漏电流，影响逆变器功率电路的安全。，影响逆变器功率电路的安全。l电动机通过地产生

28、的高频漏电流电动机通过地产生的高频漏电流：部分经定子绕组和机壳间的分布电容，再经机壳流入地部分经定子绕组和机壳间的分布电容，再经机壳流入地；部分通过绕组和转子间的分布电容，经轴承再到机壳，然后到地。部分通过绕组和转子间的分布电容，经轴承再到机壳，然后到地。后者的作用相当于后者的作用相当于轴电流轴电流，会引起电动机轴承的，会引起电动机轴承的“电蚀电蚀”，影响轴，影响轴承的寿命。承的寿命。 东北大学东北大学4 4、电动机设计和输出电缆选择、电动机设计和输出电缆选择的特殊的特殊问题问题l由于变频器输出谐波会引起电动机附加温升，电动机容量必须适当放由于变频器输出谐波会引起电动机附加温升，电动机容量必须

29、适当放大，热参数降低使用。大，热参数降低使用。l设计时，在可能的条件下，尽量减少定、转子电阻，以降低损耗。设计时，在可能的条件下，尽量减少定、转子电阻，以降低损耗。尤其是尤其是转子电阻转子电阻的减少很有必要，因为转子铜损耗在高次谐波所产生的损的减少很有必要，因为转子铜损耗在高次谐波所产生的损耗中占相当的比例耗中占相当的比例；采用变频运行后，已经不需要通过较大的转子电阻去获得足够的起动转矩。采用变频运行后，已经不需要通过较大的转子电阻去获得足够的起动转矩。l对于目前应用广泛的电压源型变频器，为了抑制电流中的高次谐波，对于目前应用广泛的电压源型变频器，为了抑制电流中的高次谐波，适当适当增加电动机的

30、电感增加电动机的电感是必要的。是必要的。l设计时设计时，应考虑到高次谐波和低频时电压补偿作用产生的磁路饱和加应考虑到高次谐波和低频时电压补偿作用产生的磁路饱和加深，要加大磁路设计裕量。深，要加大磁路设计裕量。 东北大学东北大学l普通电动机采用普通电动机采用自带风扇的冷却方式自带风扇的冷却方式，在转速降低时，冷，在转速降低时，冷却风量跟着降低，散热效果下降。却风量跟着降低，散热效果下降。对于对于风机、水泵风机、水泵等运行频率不低且转矩随转速基本上呈等运行频率不低且转矩随转速基本上呈平方关系的负载，由于在转速下降时负载电流跟着大大平方关系的负载，由于在转速下降时负载电流跟着大大下降，发热下降，基本没有什么问题。下降，发热下降，基本没有什么问题。对于对于运行频率较低，且低速时转矩较大运行频率较低，且低