二電平變頻器輸出對電動機的影響及應對措施

潘 星， 盧嘉華

(浙江省電力試驗研究院，浙江杭州 310014)

0 引言

變頻器主要應用于交流電機轉速的調節，是理想的調速方案。變頻調速以其自身所具有的調速范圍廣、調速精度高、動態響應好、節能效果顯著等優點，在許多需要精確速度控制的應用中發揮著提高產品質量和生產效率的作用［1］。

變頻器輸出的電壓電流波形是由開關元件通過一系列的控制調制而成，與完美的正弦交流波形存在較大差異，變頻器輸出電壓的非線性、脈沖性、重復性等特征嚴重惡化了電動機的電氣運行環境，容易造成電機溫升噪聲增加、絕緣老化加劇等不良后果，縮短電機使用壽命，甚至破壞電機絕緣，造成電機損壞。

1 電壓源型高壓變頻器拓撲結構

文獻［2-3］中關于各類變頻器的拓撲結構有較全面的描述。圖1為電壓源型變頻器的基本結構，采用二電平逆變方式，電路控制簡單、技術成熟、體積小、成本低，可廣泛應用于軋機、起重機、電力機車牽引、船舶主傳動、風機、水泵等。但二電平逆變存在對單管的耐壓要求高，且輸出電壓的du/dt大、所含低次諧波分量相對較高等問題。

圖1 交-直-交電壓源型變頻器基本結構

圖2是三相二極管鉗位三電平逆變器主電路，三電平結構變頻器的轉矩紋波和電機噪聲較低，對電機絕緣無損害，典型應用于風機水泵、傳送帶驅動、礦石粉碎機、軋機、擠壓機、窯傳動等。但其開關元件一般采用GTO或IGCT器件，需要復雜的緩沖電路和門極觸發電路，輸出電壓波形畸變嚴重。

圖3為多電平串聯的H橋逆變器結構，采用低壓絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，輸出波形完美無諧波，轉矩紋波和電機噪聲較低，對電機絕緣無損害，典型應用于風機和水泵調速。但其器件多，使得可靠性差，節點多增加連接難題，大量變壓器使電氣室的空間和散熱成為問題。

圖2 二極管箝位三電平逆變器結構

圖3 多電平串聯H橋變頻器結構

二電平結構的不利因素使其在高電壓等級中的應用受到一定限制，人們通過拓撲結構的多重化來實現高壓逆變器的應用，但由于多重化結構器件較多，帶來了制造成本高、可靠性差、主要一次設備的連接及散熱困難等問題。因此，現階段在常規IGBT最高反向耐壓允許范圍內(1 000～1 200 V)，二電平逆變變頻器仍是首選。

2 諧波和溫升問題及其應對措施

變頻器供電電壓波形均為非正弦波，存在一系列高次諧波電壓，高次諧波電壓會使電機產生附加銅損、鐵損、附加機械損耗等，諧波產生的集膚效應使轉子電阻增加導致轉差銅耗顯著增加，這些附加損耗導致電機有額外溫升，電機往往要降額使用。

逆變回路采用多電平技術，一定程度上可改善變頻器輸出諧波，如將兩組二電平逆變回路直流側并聯，導通角為θ，移相角為φ，設逆變輸出分別為U1和U2，分別如式(1)、(2)所示:

疊加后電壓U為

根據式(1)～(3)，選擇合適的導通角θ和移相角φ，可使得輸出電壓U選擇性的消除一部分諧波。安裝濾波器也是抑制諧波的常用辦法之一，但在變頻器輸出側采用濾波器僅適應電壓、頻率都恒定的控制方式，對于輸出電壓和頻率變化的情況，很少采用濾波器。

變頻器采用正弦脈寬調制(SPWM)逆變對于減少低次諧波輸入有較好效果［4-5］，理論計算證明，當調制波頻率為ft，載波頻率為fc(fc?ft)時，輸出電壓半周的脈沖數為p=fc/(2ft)，SPWM波形中(2p-1)次以下諧波均能被消除或抑制，提高開關器件的開關頻率可有效降低諧波電壓總畸變率。

在頻率均為50 Hz的情況下，變頻器供電電動機與工頻電源(正弦波)供電情況相比，由于高次諧波的影響，電動機的功率因數和效率都降低，電流增大，電動機產生的損耗增加［6］。電機運行頻率超過50 Hz時，集膚效應使得轉子電阻顯著增加，引起轉子發熱增加［7］。當變頻器輸出頻率低于50 Hz時，電動機轉速降低，從而使得基波電流所引起的損耗大幅度減少，但由于高次諧波分量引起的損耗基本上與空載時相同，所以負載越輕，高次諧波引起的損耗比重就越大，效率、功率因數等特性將惡化，頻率的下降使得轉速變慢，令電動機冷卻效果明顯變差，電動機的溫升增加。

針對變頻器供電電動機運行中溫升高的情況，實際工程中可采取以下措施加以改善［6-7，8］:

(1)對于同一負載，當電動機用變頻器供電時，電動機容量應該比用標準工頻電源供電時的大;

(2)如果電動機采用變頻器在與標準工頻電源相同的電壓、頻率、轉矩下運行，由于高次諧波電流的影響而使溫度增高，若增高的部分在該電動機的熱余量之內，則電動機可在額定功率下使用;若超過電動機的熱余量，則必須減小工作電流;

(3)對于在低頻區也需要恒轉矩運轉的負載，電動機的溫升會顯著增高，此時可采用強迫冷卻(如用大風扇吹)的措施來降溫，或增大電動機和變頻器的容量;

(4)采用短距繞組、分布繞組、斜槽等辦法也可改善高次諧波對電機發熱的影響;為減小集膚效應對電機發熱的影響，中型電機常采用繞組編制換位、圈式線圈端部扭轉換位等方法。

3 電壓尖峰問題及其應對措施

3.1 電壓尖峰問題分析

電壓源形變頻器逆變側一般采用脈寬調制(PWM)控制，開關元器件高速導通和關斷，變頻器輸出的電壓波形為幅值固定、寬度按正弦規律變化的矩形脈沖電壓。矩形波脈沖電壓通過電纜傳輸后易在電動機端產生電壓尖峰。

電壓尖峰現象可通過輸出電壓的高頻諧波在傳輸線上的行波理論作解釋，由于變頻器輸出的電壓是具有極快上升沿和下降沿的方波脈沖，當通過連接電纜(或電線)把能量傳輸給電動機時，在電纜兩端產生波的反射和折射，其反射(或折射)的程度取決于變頻器、電纜和電動機的波阻抗。電動機的波阻抗遠大于電纜的波阻抗，電纜末端(即電動機端)產生接近2倍的尖峰過電壓，并發生高頻振蕩。尖峰過電壓易引起變頻牽引電機內部局部放電［9-10］。隨開關頻率升高、電壓上升時間的縮短、局部放電次數增加且放電行為加劇，導致電動機繞組絕緣的老化更為嚴重，縮短電機的使用壽命，甚至在薄弱環節擊穿，損壞電機。

3.2 電壓尖峰現象仿真結果

PWM逆變輸出電壓經電纜傳輸產生電壓尖峰的現象，可通過PSCAD/EMTDC軟件仿真更直觀地表示，仿真示意圖如圖4所示，觀察電纜始、末端電壓情況。仿真計算假定直流側電壓為理想無波動直流電源930 V，電纜長度100 m，變頻器采用6脈波PWM控制，仿真計算結果如圖5～7所示。仿真計算結果表明變頻器輸出電壓最高不超過1 000 V，電纜末端尖峰電壓接近2 000 V。電纜始、末端電壓信號的幅頻特性比較如圖8所示，可見末端電壓高頻分量較始端電壓高。

圖4 仿真建模示意圖

圖5 變頻器輸出電壓Uab

圖6 電纜末端電壓Uab

圖7 兩個電壓波形比較

圖8 兩個電壓頻譜比較

電壓尖峰產生的過電壓極易引起電機繞組絕緣損壞，繞組絕緣的電介質應力由電動機端電壓峰值、上升時間，以及變頻器產生的脈沖頻率來確定。短上升時間的脈沖導致電壓在整個線圈繞組中分布不均衡，在相繞組最初幾匝的線端呈現出高強度應力［11-12］。圖9給出了在一個50匝線圈上的電壓分布與脈沖上升時間的關系曲線，可以說上升時間越短，線圈第一匝上的電壓就越大，該處絕緣往往成為薄弱環節，先行擊穿。該情況下，介質擊穿易在機端電壓低于局部放電起始電壓(PDIV)強度時出現。普通電機出廠時一般只進行工頻耐壓試驗，這種類型的絕緣耐受能力無法通過常規的工頻耐壓試驗得到反映。圖9中:Δv為第一匝上的電壓(輸出電壓的百分數)，tr為脈沖上升時間。

3.3 電壓尖峰問題應對措施

國內、外對于抑制二電平變頻器輸出電壓尖峰問題的研究較多，這里列舉幾種［11］。

圖9 第一匝上的電壓與脈沖上升時間的關系

(1)利用電動機/變頻器整體組合的辦法可使裝置降低電壓尖峰。但對于變頻改造的工程，原先的設計往往沒考慮足夠場地，因此很難實現。

(2)考慮將變頻器輸出電纜更換為參數更為理想的變頻電動機專用電纜，選用具有較高電介質損耗的電纜(如丁基橡膠或油紙)，可以減小電壓振蕩，抑制電機側的過電壓水平，并能提高電磁兼容的質量。

(3)安裝輸出電抗器與電纜的電容結合可增加行波的上升時間。理論上可降低變頻器輸出du/dt和電壓峰值，但若參數不恰當會延長尖峰持續時間，尤其是使用鐵心電抗器時，因此應用中須相當謹慎。

(4)在電動機端子上安裝一個電動機終端部件抑制電動機端子上的過電壓。其目的是使電動機阻抗與電纜阻抗相匹配，因此可防止電動機電壓反射。

(5)在變頻器和連接電動機的電纜之間安裝一個輸出du/dt濾波器，會顯著延長脈沖的上升時間。

(6)降低變頻器的電壓階躍，如采用三電平結構。

在變頻器和連接電動機的電纜之間安裝一個輸出du/dt濾波器是一個簡單、經濟的方法，而且也能取得一定的效果。采用多電平結構降低變頻器的電壓階躍是一個非常有效的辦法，尤其是三電平結構，可在費用增加不多的情況下，消除電壓尖峰的威脅。

變頻器輸出PWM脈沖電壓波形經電纜傳輸，在電動機端產生電壓尖峰，使得電動機絕緣反復接受過電壓考驗。電動機由變頻器供電時，其絕緣的耐壓強度與脈沖電壓頻率、電壓上升速度及熱應力有關，其絕緣結構所耐受的介電應力應高于單純交流正弦波電源供電時承受的介電應力，否則容易導致電機絕緣過早損壞。因此，即使已采取上述措施，電動機采用加強的絕緣結構仍很有必要。

3.4 現場測試

某電廠4#機組凝泵甲、乙電動機為二電平變頻控制，變頻器系統接線簡圖如圖10所示。由于電壓尖峰問題多次造成電動機損壞，該變頻器輸出端加裝了du/dt濾波器。分析不同工況下變頻器輸出端電壓，進行濾波前、后輸出電壓波形比較，可以較直觀地說明濾波效果，測試期間相關工況如表1所示。

圖10 鎮海電廠凝泵變頻器系統接線圖

表1 電廠變頻器輸出電壓測試工況記錄

3.4.1 未裝濾波器時輸出端電壓諧波測試數據

變頻器輸出側電壓波形及其幅頻特性如圖11～14所示。輸出側電壓波形為PWM波形，開關頻率約為2.5～3.5 kHz。輸出電壓波形中電壓尖峰現象明顯，從幅頻分析結果來看:1.5 kHz以上的高頻分量明顯存在，且低負荷工況下高頻分量明顯較高。這一點很好理解，變頻器元器件高速開通和關斷產生大量高頻分量，低負荷時元器件開關頻度較高，無論是電壓尖峰還是高頻諧波問題都比較突出。

圖11 工況一時輸出電壓波形圖

圖12 工況一時輸出電壓波形幅頻特性

圖13 工況二時輸出電壓波形圖

圖14 工況二時輸出電壓波形幅頻特性

3.4.2 加裝濾波器后輸出端電壓測試結果

工況一時，變頻器輸出電壓濾波后波形如圖15所示，比較圖15和圖11，顯然電壓峰值有明顯的下降。

工況二時，變頻器加裝濾波器后輸出電壓與電動機端電壓波形測試結果如圖16所示，圖中圈出部分放大如圖17所示，從圖中可見電動機端電壓仍會出現電壓尖峰現象，峰值達到780 V，超過變頻器輸出電壓約40%。

圖15 工況一時，輸出電壓濾波后波形圖

圖16 變頻器輸出端以及電動機端波形比較

圖17 圖16圈出部分放大

4 結語

正弦工頻電壓供電與PWM變頻供電，電動機的電氣環境差別相當大，變頻器供電電壓除工頻分量外，還存在高次諧波電壓，造成電動機損耗和溫升增加;PWM逆變使得變頻器輸出電壓上升速度非常高，且電壓重復頻度高，PWM變頻供電電壓重復次數是正弦工頻供電(50次/s)的幾十倍甚至上百倍。因此，變頻供電電動機繞組匝間承受電壓可達到工頻情況下的幾十倍，第一繞組承受電壓短時達到上百倍。

為防止變頻供電的電動機運行過程溫升過高，需采取強迫冷卻的措施，必要時電動機應降額使用。

變頻器輸出端加裝濾波器可有效緩解電壓尖峰問題，但仍有部分存在電壓尖峰現象，電動機難免承受重復性的電壓脈沖沖擊，加速絕緣的老化，縮短電機的使用壽命;且脈沖頻率越高，幅值越大，則電機絕緣壽命越短。因此，PWM變頻器供電的電動機采用增強型絕緣系統的變頻電機，有助于提高設備運行的安全穩定性。

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