變頻器供電對(duì)永磁電機(jī)振動(dòng)噪聲源的研究

江西省新余市分宜縣分宜宏大煤礦電機(jī)制造有限公司 潘冬連 李昌欣

關(guān)鍵字：變頻器；永磁電機(jī)；噪聲源

1 永磁電機(jī)的理論分析

1.1 永磁電機(jī)的電磁力矩

電磁力矩是由電樞繞組、轉(zhuǎn)子鐵心和勵(lì)磁線圈中感應(yīng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度所構(gòu)成，其大小與電流平方有關(guān)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在通電時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)內(nèi)部為閉合回路而流過(guò)的電流稱為電動(dòng)勢(shì)。電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲主要是因?yàn)樗旧泶嬖陔娮枰?，若將定子表面施加高頻交變電壓時(shí)則會(huì)導(dǎo)致電樞繞組內(nèi)損耗增加、轉(zhuǎn)子鐵心發(fā)熱等一系列現(xiàn)象形成了電磁力矩和磁路損耗這兩個(gè)問(wèn)題，但在實(shí)際運(yùn)行中，由于電機(jī)的電磁力矩和定子繞組中產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致電樞鐵心與轉(zhuǎn)子表面間存在著一定程度上附加應(yīng)力，這在電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲分析中是很重要的。

1.2 永磁電機(jī)的磁場(chǎng)

永磁電機(jī)是由轉(zhuǎn)子、定子和電樞鐵芯組成的。在實(shí)際運(yùn)行中，由于存在磁場(chǎng)，所以產(chǎn)生渦流作用。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈被擊穿時(shí)（即線圈外徑大于或等于0ns）時(shí)會(huì)在繞組上形成感應(yīng)電流源，而當(dāng)繞線與電網(wǎng)之間發(fā)生故障時(shí)它所帶過(guò)負(fù)載會(huì)使其內(nèi)部電路發(fā)生變化從而引起電機(jī)外部電場(chǎng)強(qiáng)度變化和機(jī)械損耗等影響。永磁體是由鐵芯、絕緣以及氣隙組成，其主要特點(diǎn)是永磁體的質(zhì)量比較小，但是它具有很高矯頑力，在工作時(shí)產(chǎn)生較大變形。由于轉(zhuǎn)子繞組中存在有感應(yīng)電流源以及定子鐵芯等雜質(zhì)顆粒和分布均勻性不同所形成的磁場(chǎng)強(qiáng)度也不相同。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)引起電機(jī)振動(dòng)噪聲、沖擊載荷及諧波分量這些因素都會(huì)對(duì)電能傳輸造成影響，而永磁體本身就具有磁性，其結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜且在電樞上產(chǎn)生大量損耗是無(wú)法避免的現(xiàn)象。

1.3 永磁電機(jī)的耦合

電機(jī)的振動(dòng)噪聲源與轉(zhuǎn)子、定子等是相互獨(dú)立的，但是在系統(tǒng)中卻有著緊密聯(lián)系，通常將其稱之為耦合。耦合系數(shù)越大時(shí)產(chǎn)生得振動(dòng)噪聲越小。繞線線圈及接頭和鐵芯之間存在著一種“磁斥力”作用：當(dāng)永磁體受到外磁場(chǎng)激勵(lì)后就會(huì)發(fā)生變形或彎曲現(xiàn)象從而引起電磁轉(zhuǎn)矩增大、電流降低等效應(yīng)，而相反的是如果在一個(gè)極板上施加電場(chǎng)，則使該極片與導(dǎo)線間產(chǎn)生了電感，從而產(chǎn)生了較大的磁斥力，使電磁轉(zhuǎn)矩減小，并且會(huì)引起附加磁場(chǎng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。繞線線圈與鐵芯之間存在著氣隙——電樞連接。當(dāng)永磁體受到外場(chǎng)激勵(lì)時(shí)必然要克服鐵心內(nèi)應(yīng)力而形成一個(gè)具有機(jī)械特性的渦流損耗區(qū)；當(dāng)其在一定溫度下振動(dòng)時(shí)由于產(chǎn)生了熱效應(yīng)從而使得這個(gè)渦流產(chǎn)生發(fā)熱并使之產(chǎn)生氣力矩和噪聲，稱之為“靜噪”，也就是在鐵芯產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的同時(shí)，又要釋放出電感，從而引起附加磁場(chǎng)。所以當(dāng)永磁體受到外場(chǎng)激勵(lì)時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生氣隙——電樞連接[1]。磁路中存在著大量的“空載”現(xiàn)象是由于繞線線圈和絕緣材料之間有了不同程度地相互摩擦所形成得電磁力矩作用在鐵芯上而產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲；同時(shí)也可以通過(guò)消除它們間相互耦合來(lái)降低諧波分量，從而使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)并達(dá)到良好狀態(tài)。

2 變頻器供電對(duì)永磁電機(jī)振動(dòng)噪聲的計(jì)算

2.1 概述

振動(dòng)噪聲源的產(chǎn)生是由于電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)熱、鐵心溫度升高等，造成這些部位在工作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)和軸承之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起振動(dòng)。轉(zhuǎn)子繞組線圈接頭接觸不良或漏電；繞線斷路器產(chǎn)生較大的分力槽使定子電流增大從而形成了附加應(yīng)力；當(dāng)定子有缺陷或者其他原因使得電機(jī)發(fā)熱、鐵心溫度過(guò)高時(shí)造成局部過(guò)熱等都會(huì)引發(fā)轉(zhuǎn)子上端處出現(xiàn)明顯的熱噪聲，使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲；定子鐵心接頭處的熱應(yīng)力過(guò)高，造成軸承松動(dòng)，從而引起其變形、彎曲和扭振。電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子繞組在不同轉(zhuǎn)速下存在有一定交差磁通。當(dāng)負(fù)載過(guò)大或電流過(guò)小都會(huì)引發(fā)發(fā)熱現(xiàn)象而形成熱噪聲；定頻交流電源產(chǎn)生的電磁場(chǎng)具有較大渦流損耗系數(shù)以及諧波分量大等特點(diǎn)也是產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的原因之一，因此電機(jī)轉(zhuǎn)子上的渦流損耗系數(shù)較大，而諧波分量較小時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的磁場(chǎng)噪聲。

2.2 永磁電機(jī)的諧振頻率

在對(duì)永磁電機(jī)進(jìn)行仿真時(shí)，我們可以知道，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流達(dá)到了一定值，就會(huì)導(dǎo)致諧波成分增大。所以如果電動(dòng)機(jī)中存在一個(gè)共振頻率的話將會(huì)使得振動(dòng)噪聲變大。而由于過(guò)流保護(hù)電路是用來(lái)限制和抑制由諧振引起的沖擊信號(hào)。因此通過(guò)改變線圈上施加阻尼器來(lái)消除或減弱由其產(chǎn)生所引發(fā)的附加振動(dòng)問(wèn)題就是對(duì)電機(jī)進(jìn)行瞬時(shí)檢測(cè)分析方法之一；在仿真過(guò)程當(dāng)中，我們可以知道當(dāng)電流值大于設(shè)定值后，電機(jī)就會(huì)處于諧振狀態(tài)，而當(dāng)電流值大于設(shè)定的阻尼器時(shí)，電動(dòng)機(jī)則是不需要外加力。在分析諧振線圈產(chǎn)生的振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，我們通常采用繞線式和阻尼器來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。而電流是通過(guò)改變鐵芯中通入電阻從而得到變化。當(dāng)電流值大于設(shè)定數(shù)值后，電動(dòng)機(jī)就會(huì)處于一個(gè)諧波狀態(tài)；如果電壓小于給定數(shù)值且流過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)了規(guī)定要求時(shí)則不需要外加加力的措施即可達(dá)到保護(hù)效果，這樣就可以達(dá)到保護(hù)電機(jī)的目的。當(dāng)電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度成反比時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)處于諧振狀態(tài)，而當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)一定極限值后又有一個(gè)負(fù)反饋回路來(lái)消除由諧波引起的附加振動(dòng)問(wèn)題；如果在過(guò)載情況下產(chǎn)生了正弦沖擊負(fù)載則不需要外加阻尼器；反之若是施加阻尼器使電動(dòng)機(jī)處于正常工作頻率以上就可達(dá)到保護(hù)電機(jī)目的。在分析諧振線圈產(chǎn)生的振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，我們可以通過(guò)改變電流來(lái)達(dá)到目的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作頻率較高時(shí)為正弦波。此時(shí)電機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)；如果為負(fù)值電感則會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但這個(gè)反轉(zhuǎn)后就不會(huì)再發(fā)生反相情況了，由于負(fù)載的變化和繞組中電阻、磁導(dǎo)率不同等原因造成正弦沖擊導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題也是可以避免的。

3 變頻器供電對(duì)永磁電機(jī)振動(dòng)噪聲源的實(shí)驗(yàn)

3.1 變頻器供電的原理

變頻器供電可以分為直流式和交流諧振，其中，在電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能上有明顯改善。但是對(duì)于電機(jī)的振動(dòng)也是一個(gè)系統(tǒng)工程。當(dāng)電力電子技術(shù)發(fā)展到一定程度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生大量不同類型、尺寸以及不同形式、功能各異種類不一且復(fù)雜多樣并且互相矛盾沖突的物理現(xiàn)象及非線性動(dòng)力學(xué)特性等問(wèn)題；變頻器供電方式可以分為直接式和間接式兩種，其優(yōu)缺點(diǎn)如下表所示：直流諧振調(diào)速裝置中，變頻器的調(diào)速性能優(yōu)于直流諧振，但是其調(diào)速器體積較大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。交流濾波器與交流傳動(dòng)裝置中都是專門為直流電源供電。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中有很多種方法可以解決交流電網(wǎng)產(chǎn)生的問(wèn)題：采用濾波電路來(lái)對(duì)頻率較低、有干擾因素存在或不需要整流就能獲得穩(wěn)定輸出電壓和電流；用電變換器代替直流穩(wěn)壓電源直接將電能轉(zhuǎn)化成符合所要求的高頻高壓大功率電氣設(shè)備，以減少諧波對(duì)電機(jī)的影響。在交流電網(wǎng)產(chǎn)生問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)改變變頻器結(jié)構(gòu)來(lái)控制直流穩(wěn)壓電源輸出電壓和電流；采用并聯(lián)式繞組方式，使電機(jī)兩端供電給負(fù)載或整流電路。

3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方案

本課題主要針對(duì)永磁電機(jī)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲進(jìn)行分析，并對(duì)其振動(dòng)現(xiàn)象的特點(diǎn)，提出了一種基于單片機(jī)控制技術(shù)的變頻器供電系統(tǒng)。首先通過(guò)軟件程序來(lái)采集、處理及顯示實(shí)時(shí)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)參數(shù)；然后利用硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單而又有效地算法。該方案采用的是電壓型三相橋式整流器作為電源控制器和驅(qū)動(dòng)電路部分組成；在供電方式上主要有兩種：恒壓/溫升限流調(diào)速，以提高動(dòng)態(tài)性能為目的進(jìn)行調(diào)整，從而使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到改善，達(dá)到對(duì)電機(jī)振動(dòng)噪聲抑制，并能有效地消除供電引起的諧波和轉(zhuǎn)差動(dòng)。本課題在供電系統(tǒng)中加入了單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)三相橋式整流器的控制，同時(shí)利用硬件設(shè)計(jì)與軟件程序來(lái)消除或減小諧波和轉(zhuǎn)差引起的影響。

3.3 變頻器供電對(duì)電機(jī)振動(dòng)噪聲源的效果

通過(guò)對(duì)變頻器供電與保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，可以得出，在實(shí)際運(yùn)行中，永磁電機(jī)振動(dòng)噪聲源均是由各種工況引起。但是由于本次試驗(yàn)條件等因素限制并未達(dá)到預(yù)期結(jié)果。但通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)負(fù)載電流為零值時(shí)產(chǎn)生的是最大負(fù)荷功率；負(fù)載電流大則發(fā)生鐵損程度也就較大，這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)發(fā)熱大量的熱氣導(dǎo)致其溫度升高而造成的原因。具體有以下幾種情況：電機(jī)在啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)異常狀況，即電機(jī)啟動(dòng)或制動(dòng)到某一個(gè)瞬間時(shí)出現(xiàn)了異常情況；電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，其工作電流比正?，F(xiàn)象較大，且在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，有大量氣體會(huì)從集油器排出致使發(fā)熱產(chǎn)生。原因是由于變頻器供電系統(tǒng)本身存在著電阻等元件使負(fù)載兩端阻值不斷變化引起；當(dāng)電機(jī)在啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程中，負(fù)載兩端阻值變化過(guò)大，在一定時(shí)間內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致電流的增大；當(dāng)電機(jī)在制動(dòng)過(guò)程中，負(fù)載兩端電流持續(xù)增大，導(dǎo)致了電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱；當(dāng)電機(jī)在過(guò)壓狀態(tài)下工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的鐵芯產(chǎn)生較大電流，導(dǎo)致其發(fā)熱，可能是由于轉(zhuǎn)子繞組上存在著熱漏氣而引起；當(dāng)電機(jī)在啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程中，出現(xiàn)了異常情況，即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速突然下降，造成其發(fā)熱現(xiàn)象。原因是由于變頻器供電系統(tǒng)本身存在著電阻等元件引起[2]。

通過(guò)上述分析，可以得出結(jié)論：在電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，有很多因素會(huì)引起電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。但是變頻器供電系統(tǒng)本身也是一個(gè)吸振回路和非線性元件。當(dāng)其工作時(shí)存在著電阻等元器件。綜上所述可知：變頻器供電對(duì)電機(jī)振動(dòng)噪聲沒有影響；由于該裝置具有電感、電容等功能所以可以在一定范圍內(nèi)減小電流的波動(dòng)，降低電壓的脈動(dòng)值，從而達(dá)到保護(hù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全與穩(wěn)定以及提高設(shè)備效率目的；由于變頻器供電系統(tǒng)本身的電阻率較低，所以其吸振效果也比較好，降低了電動(dòng)機(jī)自身產(chǎn)生振動(dòng)噪聲；因?yàn)樵撗b置具有電感、電容等元器件特性使得在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)可以有效地吸收諧波電流。

綜上所述，變頻器供電系統(tǒng)本身的吸振效果是最好也是最佳，在實(shí)際工程應(yīng)用中可以有效降低電機(jī)運(yùn)行噪聲。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，由于變頻器供電系統(tǒng)本身具有電阻率較低、電感等元器件特性，所以其吸振效果也比較好。但是因?yàn)樵撗b置是通過(guò)電機(jī)自身固有頻率與諧波電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲源產(chǎn)生影響的。

4 變頻器供電的振動(dòng)噪聲

4.1 變頻器供電對(duì)永磁電機(jī)振動(dòng)噪聲的影響

在變頻器的供電下，電機(jī)振動(dòng)噪聲主要是由直流電壓引起。對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)，當(dāng)其輸出為正弦波時(shí)就會(huì)產(chǎn)生附加諧振。而在交流電機(jī)的輸入端則可以產(chǎn)生較大頻率和較低頻率且具有不同振幅、以滿足負(fù)載功率需求等特點(diǎn)的是交越電感線圈中感應(yīng)出大量電子脈沖電流（稱為磁滯積）；相反地如果將輸出變?yōu)橹绷麟娫春?，電機(jī)振動(dòng)噪聲便可轉(zhuǎn)化成交流電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)噪聲。但是在變頻器的供電下，永磁電機(jī)產(chǎn)生較大頻率和較低幅度的交越電感線圈中感應(yīng)出大量電子脈沖電流（稱為直流磁場(chǎng)噪聲）便可以轉(zhuǎn)化成電磁噪音。

這兩種現(xiàn)象也是由它們各自對(duì)諧振源造成影響所致。直流電感線圈的諧振頻率很高，且其固有振蕩頻率較低，因此對(duì)電機(jī)振動(dòng)噪聲影響很大。而在變頻器供電下可以通過(guò)改變交流電機(jī)輸出電壓來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的磁鏈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。所以說(shuō)在實(shí)際中，利用變頻電源與永磁鐵之間并聯(lián)搭配能夠有效地減小振動(dòng)噪聲和提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。

直流電感線圈繞組所采用的是矩形鐵芯材料，其電磁扭轉(zhuǎn)力矩分布是由磁場(chǎng)激勵(lì)引起的；而變頻電源所產(chǎn)生的電磁扭振力矩會(huì)影響到電機(jī)繞組線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此在實(shí)際中利用變頻器供電可以有效降低諧波成分。交流電動(dòng)機(jī)與直流發(fā)電機(jī)共同作用形成了電感效應(yīng)，當(dāng)交流電機(jī)輸出電壓增大時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極開路、勵(lì)磁回路以及靜止磁鐵都發(fā)生變形，從而引起交越電感和靜度變化導(dǎo)致振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生。

而由上述分析可知電機(jī)運(yùn)行過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較大頻率及較低幅度的高頻振蕩，由于變頻電源的存在使得電動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生了較高頻率及較大靜度，所以在實(shí)際應(yīng)用中利用交流電機(jī)作為供電源可以有效降低諧波成分。

4.2 變頻器供電的振動(dòng)噪聲抑制

在變頻器的使用過(guò)程中，由于各種電氣量之間相互影響，會(huì)產(chǎn)生一定頻率、振幅和相位變化的振動(dòng)噪聲。對(duì)其進(jìn)行有效地抑制是一個(gè)非常重要且有意義，例如提高電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電壓穩(wěn)定性等。首先針對(duì)配電網(wǎng)諧波引起轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)不平衡而引發(fā)故障現(xiàn)象；其次通過(guò)改變供電系統(tǒng)來(lái)降低三相變頻器輸出間差值進(jìn)而消除單相激勵(lì)引起的振動(dòng)，從而減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生共振和過(guò)載情況發(fā)生頻率波動(dòng)的可能性；最后通過(guò)變頻器供電來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行有效地保護(hù)，降低電能質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的損失。

針對(duì)配電網(wǎng)諧波引起的振動(dòng)噪聲，可以從以下幾個(gè)方面來(lái)著手：提高供電系統(tǒng)中變壓器、電動(dòng)機(jī)等電氣設(shè)備和變頻器之間相互間產(chǎn)生共振頻率。通過(guò)更換變頻器以減少單相激勵(lì)引起的附加值。通過(guò)對(duì)變頻器供電系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行消除或抑制。對(duì)變頻器供電系統(tǒng)中的電力電子器件進(jìn)行有效地隔離和保護(hù)，從而降低諧波和電能質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)引起的振動(dòng)噪聲。針對(duì)上述問(wèn)題，在變頻器供電系統(tǒng)中，可以從以下幾方面來(lái)著手：提高電動(dòng)機(jī)的電氣性能。由于電力電子器件本身就容易產(chǎn)生形聲、畸變等現(xiàn)象。因此需要采用有效地措施防止諧波。例如采用屏蔽式磁電或電容充放電技術(shù)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行阻尼控制和抗干擾處理，通過(guò)合理選擇電氣參數(shù)以及電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)減少電能質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的振動(dòng)噪聲，從而有效地降低電氣故障對(duì)電機(jī)的振動(dòng)噪聲。在變頻器供電系統(tǒng)中，應(yīng)盡量減少電力電子器件發(fā)生工況異常情況時(shí)，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振。