變頻電機(jī)供電電源質(zhì)量分析

崔天瑞,王安國

(佳木斯電機(jī)股份有限公司,黑龍江佳木斯154002)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著系統(tǒng)集成與變頻技術(shù)的快速發(fā)展,對于調(diào)速精度要求較高的設(shè)備上漸漸出現(xiàn)了變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的身影。變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)擁有調(diào)速精度高、變頻范圍廣、低頻轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行效率高等諸多優(yōu)點(diǎn),因此工業(yè)上包括石油、石化在內(nèi)的大部分企業(yè)對變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)愈加青睞。變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)是以變頻器供電,那么變頻器供電電源質(zhì)量的好壞對電動(dòng)機(jī)的絕緣系統(tǒng)穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響,同時(shí)變頻器供電的低質(zhì)量電源對變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、噪聲、溫升以及附加損耗方面均有這影響,因此解決變頻器供電電源的質(zhì)量以及對變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的絕緣處理就尤為重要,是提升整體運(yùn)行系統(tǒng)的關(guān)鍵性問題。

1 變頻器控制電路原理

圖1為變頻器電源供電使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的基本原理圖,基本原理圖包括主電路和控制電路上下兩部分,變頻器由核心部件CPU、輸入及輸出信號(hào)、操作板、存儲(chǔ)器和電路等組成,其中外接電位器模擬信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳入CPU,以調(diào)整電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

圖1 變頻器電源供電使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的基本原理圖

1.1 變頻器的低質(zhì)量電源對電動(dòng)機(jī)振動(dòng)的影響

變頻器供電電源的波形不能完全形成正弦波進(jìn)入電動(dòng)機(jī)端子,較差的供電質(zhì)量將會(huì)在電動(dòng)機(jī)軸上形成振蕩轉(zhuǎn)矩,造成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的振動(dòng)值增加。變頻器供電時(shí)的電源質(zhì)量將會(huì)產(chǎn)生直流分量和負(fù)序分量,隨之會(huì)帶來基頻轉(zhuǎn)矩分量,在設(shè)備運(yùn)行過程中要加以預(yù)防。由于直流分量和負(fù)序分量會(huì)對電阻以及短路電抗產(chǎn)生影響,所以即使變頻器供電時(shí)輸出非常小的不對稱的電壓也會(huì)產(chǎn)生極其大的不對稱的電流,進(jìn)而對電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)產(chǎn)成極大的影響。

1.2 變頻器的低質(zhì)量電源對電動(dòng)機(jī)溫升的影響

變頻器供電電源質(zhì)量差,即變頻器供電輸出的電源并非嚴(yán)格意義上的正弦波,此時(shí)電動(dòng)機(jī)除所需的基波外還會(huì)存在對電動(dòng)機(jī)造成額外損耗的波形。這些附加損耗的大小取決于變頻器輸出電壓波形的好壞,如果在變頻器和電動(dòng)機(jī)之間沒有增加帶有濾波功能的電抗器,這些附加損耗將無法避免或減小,額外的損耗將會(huì)以熱能的形式散發(fā),因此可引起電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)溫升升高。

1.3 變頻器的低質(zhì)量電源對電動(dòng)機(jī)絕緣的影響

電纜長度超過100m或沒有串聯(lián)濾波器,輸出電壓中的高次諧波如果直接加在電動(dòng)機(jī)上會(huì)對繞組產(chǎn)生沖擊,電動(dòng)機(jī)接線盒中的接線端子將會(huì)承受非常大的電壓上升率,也就意味著電機(jī)繞組的首匝線圈將被施加非常大的電壓值,極有可能使電動(dòng)機(jī)定子繞組線圈匝間擊穿,造成電動(dòng)機(jī)故障。同時(shí),如此大的電壓值疊加在電動(dòng)機(jī)的供電電壓上,電動(dòng)機(jī)的對地絕緣也將受到很大的沖擊,會(huì)加速絕緣系統(tǒng)的老化速度,對電動(dòng)機(jī)造成不可逆的破壞。

1.4 變頻器的低質(zhì)量電源對電動(dòng)機(jī)噪聲的影響

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中是電磁轉(zhuǎn)換的過程,電機(jī)運(yùn)行過程中存在磁場即會(huì)存在電磁噪聲,只是在電機(jī)設(shè)計(jì)階段和制造階段會(huì)有效的減少電磁噪聲。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的電磁噪聲和定、轉(zhuǎn)子氣隙產(chǎn)生相互作用力有關(guān),同時(shí)與電動(dòng)機(jī)表面的聲輻射特性有著密不可分的關(guān)聯(lián)。因此減小電磁噪聲可以從電磁結(jié)構(gòu)調(diào)整和抑制輻射兩個(gè)方面入手。第一,在電磁設(shè)計(jì)時(shí)選擇適當(dāng)?shù)亩?、轉(zhuǎn)子槽配合;第二,定子或轉(zhuǎn)子斜槽可使徑向力沿電機(jī)軸向方向發(fā)生位移,使徑向力降低,從而降低電動(dòng)機(jī)的電磁噪聲。

電動(dòng)機(jī)電磁噪聲和軸承異響與電源頻率以及諧波分量有著密不可分的關(guān)聯(lián),變頻器供電和普通電源供電相對比時(shí),供電頻率超過3kHz時(shí),變頻器供電的噪聲增量小,當(dāng)供電頻率相對較低時(shí),變頻器供電所引起的噪聲增量大。

1.5 變頻器的低質(zhì)量電源諧波產(chǎn)生附加的雜散損耗影響

變頻器的低質(zhì)量電源除了對電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、電動(dòng)機(jī)的溫升、電動(dòng)機(jī)的絕緣系統(tǒng)以及電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行噪聲有影響以外,還需要考慮變頻器低質(zhì)量電源諧波帶來的附加雜散損耗的影響,其主要包括諧波磁場在定子繞組端部、轉(zhuǎn)子端部所產(chǎn)生的定、轉(zhuǎn)子鐵耗以及轉(zhuǎn)子斜槽時(shí)漏磁的額外損耗。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)查詢,變頻器低質(zhì)量電源供電產(chǎn)生的附加損耗一般會(huì)讓電動(dòng)機(jī)的效率降低1%～3%,對于不同的供電方式、不同容量和電動(dòng)機(jī)負(fù)載不同,電動(dòng)機(jī)效率降低的大小也會(huì)存在一定差異。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)可知,供電諧波對電動(dòng)機(jī)的鐵耗以及定子銅耗影響相對較小,但是對轉(zhuǎn)子銅耗影響較大,因此在電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)計(jì)算過程中,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子銅耗的計(jì)算一定要有足夠的精度和余量。

1.6 增加濾波器來提升變頻器電源質(zhì)量

變頻器與電動(dòng)機(jī)之間增加濾波器可減小高頻開關(guān)電壓的振幅和du/dt值,而不過度影響電機(jī)端的低頻合成電壓?？偟挠绊懭Q于應(yīng)用場合以及電機(jī)和濾波器的尺寸。為避免增加電機(jī)的基波電流損耗,應(yīng)考慮電機(jī)端有濾波器電壓降引起的電壓下降。同樣,濾波器中也會(huì)有損耗,但這一損耗通常比由變頻器供電引起的電機(jī)附加損耗值要小,所以PDS的總體效率將會(huì)得到提高。除了降低由變頻器供電引起的電機(jī)附加損耗,濾波器還對減少電機(jī)繞組上的電壓應(yīng)力、降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、改善電磁兼容性能有顯著好處。

2 變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)處理

2.1 提升零部件加工精度,做好鑄鋁轉(zhuǎn)子與軸的配合處理,采用高品牌軸承,必要時(shí)尾端可采用進(jìn)口絕緣軸承防止電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的軸電壓進(jìn)而產(chǎn)生軸電流對電機(jī)軸承產(chǎn)生電蝕損壞。

2.2 調(diào)整電磁方案,提升電磁設(shè)計(jì)溫升余量,防止電機(jī)運(yùn)行過程中由于變頻器的低質(zhì)量電源對電動(dòng)機(jī)溫升的影響。

2.3 采用高品質(zhì)防電暈的專用3級(jí)漆膜變頻漆包線,嚴(yán)控下線質(zhì)量及接線質(zhì)量,根據(jù)電機(jī)中心高及容量大小加強(qiáng)槽絕緣、層間絕緣、相間絕緣等處理,首末匝線圈單獨(dú)包扎絕緣、必要時(shí)端部采用端部大包形式絕緣處理,同時(shí)采用兩次真空壓力浸漆將槽內(nèi)空間用浸漬漆填滿,防止變頻器的低質(zhì)量電源對電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)的影響。

2.4 增加鐵心疊壓系數(shù),提升鐵心制造品質(zhì),減少橫向電流損耗,采用斜槽設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以降低電機(jī)電磁噪聲。

3 變頻器增加帶有濾波功能的電抗器以提升供電電源質(zhì)量

不同品質(zhì)的變頻器供電,電源品質(zhì)不盡相同,由于現(xiàn)場布線的長短、變頻器品質(zhì)的不同均會(huì)影響到供電電源的質(zhì)量,電機(jī)本體是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,對供電電源的波形質(zhì)量無選擇性和過濾性,不論變頻電機(jī)做何種絕緣處理均會(huì)受到低質(zhì)量電源的沖擊,變頻電機(jī)設(shè)計(jì)制造過程中只能是加強(qiáng)繞組絕緣處理以抗擊低質(zhì)量電源沖擊,絕緣系統(tǒng)將會(huì)不同程度的受損老化,屬于自損型防御。同時(shí)加厚絕緣就意味著槽內(nèi)導(dǎo)體的占積率減少,犧牲的自然是電機(jī)的性能。因此,考慮到用戶的使用維護(hù)方便,需要在變頻器側(cè)增加自帶濾波功能的電抗器,降低電機(jī)端子的電壓瞬時(shí)升高值,減小低質(zhì)量電源對電機(jī)繞組的沖擊,從根本上消除低質(zhì)量電源才是設(shè)備高質(zhì)量運(yùn)行的基礎(chǔ)保障。

4 結(jié)語

隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展,變頻器供電電源質(zhì)量將會(huì)越來越好,對電動(dòng)機(jī)以及整體系統(tǒng)的再升級(jí)提供根本技術(shù)保證。電動(dòng)機(jī)繞組絕緣材料的提升也將會(huì)使電動(dòng)機(jī)繞組耐擊穿能力越來越強(qiáng),使用壽命也將越來越長,為中國工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展保駕護(hù)航。