變頻異步電機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)研究

劉海龍，韋文武，何海波

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變頻異步電機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)研究

劉海龍，韋文武，何海波

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

變頻供電低速異步推進(jìn)電機(jī)振動(dòng)激勵(lì)源較為復(fù)雜。本文針對變頻供電異步電機(jī)，開展了恒壓頻比調(diào)速、額定頻率調(diào)壓、風(fēng)機(jī)接入與否，突然斷電停機(jī)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)以及濾波器接入前后，電機(jī)底腳振動(dòng)加速度變化的試驗(yàn)研究，通過對結(jié)果的對比分析，獲得電機(jī)激振源的分離方法及主要參數(shù)對電機(jī)振動(dòng)影響的規(guī)律，為電機(jī)振動(dòng)噪聲源的識(shí)別和分離提供幫助。

振動(dòng)試驗(yàn) 電磁力 變頻電機(jī)

0 引言

變頻低速異步推進(jìn)電機(jī)主要振動(dòng)噪聲源包括電磁激振源和機(jī)械激勵(lì)源，電磁激振源主要為徑向電磁力，機(jī)械激振源包括電機(jī)轉(zhuǎn)頻振動(dòng)、軸承激勵(lì)和冷卻風(fēng)機(jī)。電機(jī)在不同運(yùn)行工況下，各激振源對電機(jī)底腳振動(dòng)貢獻(xiàn)有較大差別。一些學(xué)者也對交流永磁電機(jī)本體參數(shù)對激振源及噪聲的影響進(jìn)行了研究[1]~ [3]，也有學(xué)者研究了PWM變頻供電對電機(jī)振動(dòng)的影響[4-5]。但這些學(xué)者對各類激振源分離識(shí)別及貢獻(xiàn)度研究較少。

本文通過不同的試驗(yàn)對比，分析了不同激振源對電機(jī)振動(dòng)的影響規(guī)律，獲得異步電機(jī)激振源的識(shí)別方法，為低噪聲異步電機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

1 電機(jī)的主要參數(shù)及試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)船用低速推進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，電機(jī)采用彈性安裝的方式支撐，選擇200 kW變頻異步電機(jī)（具體參數(shù)如表1所示）作為試驗(yàn)對象，開展恒壓頻比調(diào)速、額定頻率調(diào)壓、風(fēng)機(jī)接入與否，突然斷電停機(jī)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)以及濾波器接入前后等試驗(yàn)研究。振動(dòng)傳感器布置于電機(jī)底腳及主要的振動(dòng)傳遞路徑部位如圖1所示。

表1 變頻異步電機(jī)主要參數(shù)

圖 1 振動(dòng)測點(diǎn)分布圖

其中，1~4測量點(diǎn)為三方向振動(dòng)，x、y、z分別為軸向，橫向及垂向，5點(diǎn)測量垂向振動(dòng)，6點(diǎn)為徑向振動(dòng)，7點(diǎn)為垂向振動(dòng)。

2 試驗(yàn)分析

2.1調(diào)頻調(diào)速

根據(jù)圖2的1/3倍頻程圖譜可知，不同轉(zhuǎn)速下低頻段隨轉(zhuǎn)速的不同重合度較差，而在2 kHz和4 kHz附近，振動(dòng)加速度趨勢一致，幅值隨轉(zhuǎn)速的不同而不同，且加速度的峰值均出現(xiàn)在4 kHz，即開關(guān)頻率的倍頻，且該頻率的振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速的增加而下降，最終引起振動(dòng)加速度幅值的下降。

圖2不同轉(zhuǎn)速下振動(dòng)加速度1/3倍頻程

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，開關(guān)頻率對振動(dòng)的貢獻(xiàn)顯著，從200-380 rpm時(shí)開關(guān)頻率占主導(dǎo)地位，隨著速度的增加，開關(guān)頻率引起的振動(dòng)明顯降低，因此總振級下降。這種變化是因?yàn)殚_關(guān)頻率一定時(shí)，電源頻率在低頻時(shí)，每個(gè)周期的電壓和電流諧波成分幅值較高，隨著電源頻率的升高，單位周期的脈沖寬度發(fā)生變化，電壓和電流諧波幅值降低，因此開關(guān)頻率引起的振動(dòng)降低。這點(diǎn)也可從電壓或電流的諧波檢測中發(fā)現(xiàn)。

2.2恒頻調(diào)壓

由圖3可知，恒頻調(diào)壓時(shí)，電機(jī)頻譜基本相似，主要有兩處峰值。第一處為一倍齒頻所在500 Hz頻段，該頻段振動(dòng)加速度幅值隨電壓的增加而增加，這是由于基波電流增加導(dǎo)致磁通密度增加所引起磁導(dǎo)諧波電磁力的增加所致。第二處為開關(guān)頻率所在4 kHz附近，在100~400 V范圍內(nèi)，該頻段振動(dòng)加速度幅值隨電壓增加而顯著增大，但在400~657 V范圍內(nèi)加速度幅值隨電壓增加而略有減小，這是由于開關(guān)頻率的調(diào)制比引起的諧波電壓變化所致。第三處68 Hz附近隨電磁變化不大，通過風(fēng)機(jī)開斷試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該頻率無變化，而在堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)和空載試驗(yàn)對比中，該頻段振動(dòng)幅值變化較大，結(jié)合軸承參數(shù)，推斷該激勵(lì)為主電機(jī)軸承引起的機(jī)械振動(dòng)。第四處50 Hz附近隨電壓增加緩慢上升，說明磁場增加對2倍頻Maxwell力和磁致伸縮力均略有增加，但總趨勢變化不大。

圖3 恒頻調(diào)壓時(shí)振動(dòng)加速度1/3倍頻程

2.3風(fēng)機(jī)對底腳振動(dòng)的影響

電源為25 Hz，657 V時(shí)，通過風(fēng)機(jī)開啟的不同狀態(tài)，評價(jià)風(fēng)機(jī)對電機(jī)底腳振動(dòng)的貢獻(xiàn)，如表2所示：

表2 風(fēng)機(jī)不同狀態(tài)振動(dòng)對比

根據(jù)表2可知，由于風(fēng)機(jī)的振動(dòng)比電機(jī)本體小近30 dB，所以風(fēng)機(jī)對該電機(jī)振動(dòng)加速度總值沒有影響。其1/3倍頻程圖譜如圖4所示，下面具體分析風(fēng)機(jī)對電機(jī)底腳振動(dòng)各頻段的影響。

圖4 開風(fēng)機(jī)前后振動(dòng)加速度1/3倍頻程

根據(jù)圖4可知，開啟風(fēng)機(jī)前后，電機(jī)振動(dòng)加速度1/3倍頻程圖譜幾乎完全重合。主要區(qū)別于25 Hz及50 Hz頻段。根據(jù)風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 rpm，可以得到該頻段振動(dòng)由風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻引起。風(fēng)機(jī)本身的電磁激振力、流體激勵(lì)及軸承振動(dòng)激勵(lì)對推進(jìn)電機(jī)本身振動(dòng)加速度總值影響甚小。

2.4突然斷電

根據(jù)圖5可知，突然斷電后，激勵(lì)源迅速消失，隨轉(zhuǎn)速下降，未見明顯激勵(lì)區(qū)域，推斷該電機(jī)的振動(dòng)主要為電磁振動(dòng)。未加濾波器時(shí)主要振動(dòng)頻率為4kHz附近，而加濾波器后主要為500 Hz附近的一倍機(jī)槽頻振動(dòng)。

(a)不加濾波器

(b)加濾波器

未加濾波器時(shí)，2 k以上多個(gè)頻段皆為紅色，加濾波器后2 k以上多個(gè)頻段顏色淡化許多，譜中僅剩下1k以內(nèi)的頻譜。但是，由于分辨率、采樣率和本身轉(zhuǎn)速較低的原因，在100 Hz范圍內(nèi)再難以甄別電磁和機(jī)械源。另外，在整個(gè)停機(jī)過程中，未發(fā)現(xiàn)共振區(qū)的存在。

根據(jù)突然斷電后頻譜圖，可以獲得電機(jī)振動(dòng)固有頻率區(qū)，根據(jù)此方法區(qū)分電機(jī)電磁振動(dòng)及機(jī)械振動(dòng)。該電機(jī)空載時(shí)主要振動(dòng)為電磁激振力引起的振動(dòng)。這主要由電機(jī)本體的槽頻和開關(guān)頻率及其倍頻引起。濾波器突然斷電試驗(yàn)可以看出，濾波器對高頻振動(dòng)的削弱明顯，但是對低頻振動(dòng)的影響不大。

2.5堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)

如圖6所示，對比分析不同堵轉(zhuǎn)電流下電機(jī)的振動(dòng)，二者的圖譜完全一致，說明激振源完全相同。根據(jù)圖7可得，堵轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)振動(dòng)加速度頻譜與空載時(shí)基本相似，進(jìn)一步說明說明引起該臺(tái)電機(jī)振動(dòng)的主要為電磁振動(dòng)源，且堵轉(zhuǎn)前后電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特性變化不大。但是，除25 Hz外，其余各頻段的峰值空載狀態(tài)比堵轉(zhuǎn)狀態(tài)高20-30 dB，這是由于雖然電流相同，但激磁電流產(chǎn)生各頻段電磁激振力幅值差別較大所致。68 Hz在堵轉(zhuǎn)和空載時(shí)變化很大，進(jìn)一步證明該激勵(lì)源為軸承旋轉(zhuǎn)引起的機(jī)械激振源。

圖6 不同堵轉(zhuǎn)電流下振動(dòng)加速度1/3倍頻程圖譜

圖7 堵轉(zhuǎn)57A與空載下振動(dòng)加速度1/3倍頻程圖譜

2.6串入濾波器前后

串入濾波器后，電機(jī)底腳振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)如表3所示：

表 3 濾波器串入前后不同轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)

與串入濾波器前下比，電機(jī)底腳平均振動(dòng)加速度下降9-25 dB；其中200 rpm時(shí)下降最多，達(dá)25 dB。對比其1/3倍頻程圖譜，根據(jù)圖8、圖9可知，串入濾波器后，1 kHz以上振動(dòng)幅值明顯減小。特別是4 kHz開關(guān)頻率處，降低近30 dB。齒槽頻率和機(jī)械頻率對應(yīng)的幅值變化不大，進(jìn)一步說明該電機(jī)的高頻振動(dòng)由變頻器的高次開館頻率引起。濾波器接入對電流高次諧波有明顯削弱作用，電機(jī)開關(guān)頻率振動(dòng)降低25 dB左右。而對于低頻段的影響不大。同時(shí)，圖8和圖9的600~1000 Hz頻帶的振動(dòng)加速度對比來看，串入后比串入前振動(dòng)加速度上升，經(jīng)理論和試驗(yàn)分析可知，是由濾波器串入引起的電源諧振所致。

圖8 串入濾波器前后振動(dòng)加速度1/3倍頻程(200 rpm)

圖9 串入濾波器前后振動(dòng)加速度1/3倍頻程(440 rpm)

在變頻器輸出端接入濾波器后，可以削弱輸出電壓中的高頻諧波，從而降低諧波電流，降低電機(jī)電磁振動(dòng)，但它的接入會(huì)引入諧振電流，該電流可能引起某一頻段振動(dòng)噪聲增加，需在設(shè)計(jì)選型初期慎重考慮。

3 結(jié)論

綜上所述，通過對變頻電機(jī)進(jìn)行不同的試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)結(jié)果的對比，可以確定變頻電機(jī)的激振源。測量及分析結(jié)果后可得到如下結(jié)論：

1）通過突然斷電及堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)證明，該電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)主要振動(dòng)為電磁激振力引起振動(dòng)，機(jī)械激振力較小，同時(shí)結(jié)構(gòu)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不存在共振區(qū)。

2）試驗(yàn)電機(jī)振動(dòng)加速度主要振動(dòng)源為開關(guān)頻率次電磁力和槽頻力。濾波器接入可顯著削弱該次電磁力，但會(huì)使某些頻段增加，設(shè)計(jì)時(shí)需加以考慮。

3）本文提及的激勵(lì)源識(shí)別及貢獻(xiàn)評估方法不僅對該臺(tái)電機(jī)有效，對其他電機(jī)的振動(dòng)噪聲源分析仍然具有指導(dǎo)意義。

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Liu Hailong, Wei Wenwu, He Haibo

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM34

A

1003-4862（2016）08-0024-04

2015-12-23

劉海龍（1981-），男。研究方向：低振動(dòng)噪聲變頻電機(jī)的設(shè)計(jì)。