電機(jī)試驗(yàn)中變頻器對電機(jī)性能的影響

周瑋杰， 張寶強(qiáng)， 陳 琳

(1. 上海電科系統(tǒng)能效檢測有限公司，上海 200063；2. 上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063)

0 引 言

變頻調(diào)速是一種效益高、性能好、應(yīng)用廣的交流傳動技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及國防等領(lǐng)域,是國家提倡推廣的節(jié)能技術(shù)之一。變頻電機(jī)是專門為精確調(diào)速而設(shè)計(jì)的三相異步電機(jī)。通過改進(jìn)普通三相異步電機(jī)，使之與變頻器組成的動力系統(tǒng)在一些場合可替代直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，對變頻系統(tǒng)的測試技術(shù)也提出更高要求，以往的測試技術(shù)都是針對普通三相異步電動機(jī)，雖然變頻電機(jī)本質(zhì)上是三相電機(jī)，但在測試方法上卻有所不同。

變頻調(diào)速系統(tǒng)中存在的變頻器，為電動機(jī)帶來了諸多不利因素，包括： 效率、功率因數(shù)下降，噪聲、振動增大，電磁設(shè)計(jì)與絕緣設(shè)計(jì)的改變等。為更好地發(fā)揮變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)勢，須通過試驗(yàn)重點(diǎn)研究變頻器對電動機(jī)的影響。

1 變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)試驗(yàn)分析

從變頻調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，分析諧波產(chǎn)生的原因，再以同一臺變頻調(diào)速電機(jī)為例，在試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)人員、試驗(yàn)儀器基本相同的條件下，對比正弦波電源供電與變頻器供電的電動機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并分析試驗(yàn)結(jié)果差異。

1.1 系統(tǒng)原理

電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電源輸入頻率f成正比：n=120f(1-s)p(式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極數(shù))。變頻器將50Hz的工頻電通過整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電源，通過改變電動機(jī)電源輸入頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻器原理如圖1所示。

圖1 變頻器原理

1.2 變頻器諧波產(chǎn)生原因及特點(diǎn)

變頻器的整流電路、逆變電路，都由非線性元件組成，在元件開斷過程中，其輸入端和輸出端都會產(chǎn)生高次諧波。變頻器輸入端的諧波還會通過輸入電源線影響公用電網(wǎng)[2]。

對于變頻器而言，只要電源側(cè)有整流回路，都因非線性產(chǎn)生諧波。以三相橋整流電路為例，交流電網(wǎng)電壓為正弦波，交流輸入電流波形為方波，對于這個波形，按傅里葉級數(shù)可分解為基波和各次諧波，通常含有6m±1(m=l，2，…，n)次諧波，其中高次諧波干擾電網(wǎng)。單個基波與幾個高次諧波疊加形成畸波，如圖2所示。

圖2 基波與諧波疊加后的畸波波形

在逆變輸出回路中，輸出電壓和輸出電流均有諧波。由于變頻器是通過CPU產(chǎn)生6組脈寬可調(diào)的SPWM波控制三相的6組功率元件導(dǎo)通和關(guān)斷，形成電壓、頻率可調(diào)的三相輸出電壓。其輸出的電壓和電流由SPWM波和三角載波的交點(diǎn)產(chǎn)生，不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，含有諧波。非正弦波電壓加于負(fù)載，形成非正弦電流，也含有諧波。

由于諧波的存在，變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)與正弦波供電傳動系統(tǒng)性能上存在差異。對于變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)與正弦波供電傳動系統(tǒng)的性能，文獻(xiàn)[3]已給出了分析，如圖3所示。

圖3 異步電動機(jī)變頻器供電與標(biāo)準(zhǔn)正弦供電仿真波形圖

由圖可知，變頻器供電時(shí)異步電機(jī)的輸入電壓為一系列寬度不等的脈沖電壓，若對該電壓進(jìn)行傅里葉分解，除含有基波外還含有大量諧波成分，這些諧波的存在使得異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和相電流出現(xiàn)較明顯的脈動，但這些諧波對電機(jī)性能的影響具體為多大，各類文獻(xiàn)中缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明?，F(xiàn)將同一臺被試電機(jī)用于變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)與正弦波供電傳動系統(tǒng)進(jìn)行性能對比測試。

1.3 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

圖4所示為變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)，圖5為正弦波供電傳動系統(tǒng)，其中被試電機(jī)是型號為YYSP-200L2-2，37kW壓縮機(jī)專用變頻調(diào)速電動機(jī)，變頻器型號為GREAT VC10-250G3，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器為HBM 200N·m，聯(lián)軸器采用外徑φ160mm的聯(lián)軸器，陪試電機(jī)是功率為45kW的2極三相異步電動機(jī)。變頻試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)系統(tǒng)饋電模式采用雙變頻器直流母排饋電模式。

圖4 變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)

圖5 正弦波供電傳動系統(tǒng)

1.4 兩個傳動系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比與分析

為使試驗(yàn)結(jié)果具有可比性，正弦波供電傳動系統(tǒng)與變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)輸出頻率皆為50Hz。

傳動系統(tǒng)試驗(yàn)對比數(shù)據(jù)如表1所示。由表1中數(shù)據(jù)可知，正弦波供電傳動系統(tǒng)的定子銅耗、鐵耗、機(jī)械耗都小于變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)。由于電機(jī)發(fā)熱主要來源于電機(jī)損耗，故正弦波供電傳動系統(tǒng)的電機(jī)溫升也小于變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)，正弦波供電傳動系統(tǒng)效率較高。在振動、噪聲方面，正弦波供電傳動系統(tǒng)在除最大振動位移外均優(yōu)于變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)。在考慮試驗(yàn)誤差的情況下，可認(rèn)為即使輸出為工頻，變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)也會使電機(jī)各項(xiàng)性能有所下降。

表1 傳動系統(tǒng)試驗(yàn)對比數(shù)據(jù)

2 試驗(yàn)結(jié)果的原因與改進(jìn)意見

2.1 損耗增加的主要原因

由于變頻器在運(yùn)行期間產(chǎn)生諧波，導(dǎo)致電機(jī)損耗增加，廣泛使用的正弦波PWM變頻器基本不含低次諧波，但含有分量為2u+1的高次諧波(u為調(diào)制比)。以電動機(jī)鐵耗為例，變頻電機(jī)在非正弦供電時(shí)的總鐵耗為

Pfe=Pfe1+∑Pfek，式中，Pfe1為正弦電源供電時(shí)電機(jī)的鐵耗；

式中：Gts、Gjs——電機(jī)定子齒部、軛部鐵心質(zhì)量；

Bts、Bjs——電機(jī)定子齒部、軛部磁通密度幅值；

K1、K2——電機(jī)定子齒部、軛部鐵耗校正系數(shù)；

Btsk、Bjsk——k次諧波定齒部、軛部磁密；

fk——k次諧波頻率。

可看出，由于諧波的存在變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)中的電機(jī)產(chǎn)生了另一部分鐵耗∑Pfek。此外，高次諧波的存在導(dǎo)致電動機(jī)定子銅耗、鐵耗、機(jī)械耗增加，故溫升有所提高。

2.2 噪聲振動增加的主要原因

電動機(jī)噪聲可分為電磁噪聲、機(jī)械噪聲、空氣動力噪聲。本文采用同一臺電機(jī)進(jìn)行對比試驗(yàn)，機(jī)械噪聲、空氣動力噪聲基本一致，故變頻器對電動機(jī)的噪聲與振動的影響在于電磁噪聲，而電磁噪聲主要由氣隙磁場產(chǎn)生的電磁力波引起電機(jī)鐵心軛部振動，并通過外殼將振動傳播出去而形成。兩次試驗(yàn)氣隙中的電磁力波不同，主要是變頻電機(jī)受諧波電壓與諧波電流影響較多，原因是變頻器產(chǎn)生的時(shí)間諧波與電動機(jī)固有的空間諧波相互干擾，產(chǎn)生電磁力形成振動。當(dāng)變頻器導(dǎo)致的電磁力頻率與電動機(jī)的固有頻率一致或接近時(shí)，將產(chǎn)生共振，從而加大了噪聲。由于電動機(jī)應(yīng)用廣，調(diào)速范圍大，導(dǎo)致變頻器頻率的調(diào)節(jié)范圍較寬，所以各種電磁力波的頻率很難避開電動機(jī)的固有振動頻率。

2.3 改進(jìn)意見

變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)性能降低的主要原因是諧波的影響，故須改進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)以消除諧波。改進(jìn)后的變頻調(diào)速測試系統(tǒng)如圖6所示。系統(tǒng)中加裝無源LC濾波器，減小高次諧波，降低諧波的影響，且成本較低、可靠性高、效果好。若變頻器輸入側(cè)加裝有源PFC裝置，效果更好，但成本較高。濾波器雖然可將部分諧波濾除，但不能將全部諧波濾除，其主要使電機(jī)電磁激振力波的頻率遠(yuǎn)離定子固有頻率及變頻器開關(guān)頻率。盡量控制變頻電機(jī)在較寬的調(diào)頻范圍內(nèi)，始終保持理想噪聲。此外，該系統(tǒng)能將被試電機(jī)上吸收的能量通過電源部分直接返回供電電網(wǎng)，這不僅可節(jié)約能源和測試費(fèi)用，也提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和可靠性。

此外，諧波還會影響電機(jī)試驗(yàn)中各測量裝置的準(zhǔn)確性，故應(yīng)對測量裝置進(jìn)行必要改進(jìn)。變頻器輸出電壓測量應(yīng)選用整流式電壓表，其測量結(jié)果最接近諧波分析儀測量的基波電壓值，且與變頻器的輸出頻率有極好的線性關(guān)系；變頻器輸出

圖6 改進(jìn)后的變頻調(diào)速測試系統(tǒng)

電流的測量通常選用動圈式電流表，考慮到該種儀表在低頻狀態(tài)下所配的電流互感器可能出現(xiàn)飽和，故建議變頻器輸出側(cè)的電流測量盡量選用變頻器自身的模擬量測量。

3 結(jié) 語

本文主要針對變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)中變頻器對系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響進(jìn)行了分析。采用試驗(yàn)測量與理論分析相結(jié)合的方法，利用基于相同試驗(yàn)條件的電動機(jī)在正弦波供電與變頻器供電得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究損耗增加、溫升提高、噪聲、振動增大等試驗(yàn)結(jié)果差異的產(chǎn)生原因，并給出添加濾波器，規(guī)避噪聲、振動頻率，改進(jìn)試驗(yàn)裝置等建議，幫助完善變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測量及生產(chǎn)應(yīng)用。

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