變頻器對普通電動機的影響及抑制措施

田紅彬 熊新國

1，鄭州輕工業學院,河南 鄭州 450052; 2 ，河南職業技術學院,河南 鄭州 450000

變頻器對普通電動機的影響及抑制措施

田紅彬1,2熊新國2

1，鄭州輕工業學院,河南 鄭州 450052; 2 ，河南職業技術學院,河南 鄭州 450000

自從上個世紀80年代, 變頻器就被廣泛應用于改善交流電動機的調速性能。但是在使用過程中由于變頻過程中高次諧波的出現, 會對普通電動機絕緣造成一定的危害。本文從變頻器對普通電動機絕緣的危害入手,分析產生危害的原因及預防措施,為設備改造提供參考。

變頻器；電動機；絕緣

transducer; motor; insulation

引言

近年來，隨著大功率電力晶體管和計算機控制技術的發展，通用變頻器被廣泛應用于三相交流異步電動機的調速、節能改造、改善生產工藝等。人們常把變電壓變頻率的電源裝置( Variable Voltage Variable Frequency,簡稱VVVF 裝置) 與交流電動機組合成為變速電動機。近幾年, 許多企業把VVVF 變頻裝置附設在普通電動機上運行, 使現有的恒速交流電動機變成可調速的變速電動機運行, 特別是用于一半以上的泵類、風機類負載, 如用改變電機轉速的方法調節流量或風量,在壓力保持不變的情況下, 可以降低與轉速n 成立方關系的電動機輸入功率P1( P1∝ n3), 有時可高達30% ～500%, 從而實現節能規劃。

但是, 按照上述措施將一般交流電動機裝上各種變頻器進行調速時, 電動機在非正弦波電源作用下,從低頻到高頻范圍內運行,會產生各種困難和問題。比如, 逆變器的換流脈沖電壓對電動機繞組絕緣結構的沖擊,逆變器所產生的高次諧波會使電動機的溫度升高; 由于轉速向下調時, 低轉速又會使電動機冷卻變壞; 又由于逆變器的高次諧波電流所產生的脈動轉矩與機械系統固有振動頻率特性而產生轉軸共振等問題。這些問題的存在,會對電動機的對地絕緣形成威脅, 加速電動機對地絕緣的老化。

1 變頻電源對普通電動機絕緣危害的原因

隨著電動機絕緣材料的不斷進步, 目前生產的電動機不論是高壓電動機還是低壓電動機, 絕緣水平都是相當高的。但是, 現用的電動機大都是老系列產品,絕緣水平很差,當把這些電動機改用逆變器控制做變速電動機使用時,在絕緣可靠性方面就會產生問題。

1.1 脈沖電壓對繞組絕緣的危害

在各種VVVF 方式的輸出電壓波形中,屬于電壓型逆變器的換流脈沖前沿陡度大而脈沖幅度小;但電流型逆變器則相反, 脈沖的前沿陡度小而脈沖幅度大, 逆變器對電動機供電時, 輸出電壓波的峰值都是超過基波的電壓數倍。具有急陡前沿脈沖的電壓波施加在交流電動機繞組上時, 其電壓分布與施加普通工頻電壓不同, 這時電動機繞組的各個線圈上所分布的電壓是不均勻的, 越是靠近電源側的線圈,其所分布的電壓值越高。脈沖電壓在繞組內電壓分布大體上按下式計算:

式中 Vab -施加在ab 線段上的電壓(V) ;

Vs-脈沖波的高峰值(V) ;

lab - ab 段的全長( cm) ;

Vm-脈沖電壓的平均傳遞速度

( cm/ s) ;

tf-施加脈沖波的波頭長(μ s) 。

下圖1是施加在低壓電動機的電壓型逆變器的電壓輸出波形, 以及繞組電壓分布情況。從圖1可以看出,越靠近電源的施加電壓端的線圈,其電壓分布越高。正是因為這個原因,電動機在長期運行中,某線圈的匝間將要承受很高的匝間電壓, 使匝間絕緣耐電壓水平產生問題。

圖1 電壓型逆變器的電壓輸出波形及其繞組分布

另外, 由于繞組內電壓分布還根據輸入的脈沖電壓波陡度和繞組接線方式以及絕緣方式不同而不同, 所以必須掌握電動機繞組的實際情況。采用逆變器作為電動機運行供電電源時,換流脈沖會經常形成重疊的波形,所以,根據VVVF方式和頻率所確定的具有恒定的反復周期性的換流脈沖電壓會施加在電動機繞組上。過高的脈沖電壓施加在繞組上時, 則會造成以下后果:

(1) 由于目前中小型容量變頻器, 大多數采用SPWM 的控制方式。它的載波頻率約為幾kHz 到十幾kHz, 這就使電動機線圈需要承受很高的電壓上升率。另外, 由PWM 變頻器產生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動機運行電壓上, 會對電動機的對地絕緣形成威脅并加速其老化。

(2) 出現浪涌電壓和電暈現象, 損害電動機絕緣。電動機運行時, 外加電壓經常與變頻裝置中元器件換流時產生的浪涌電流相疊加, 有時浪涌電壓較高, 致使線圈受到反復電沖擊, 絕緣加速老化。此外, 有時浪涌電壓引起電暈放電, 致使線圈對地絕緣損壞。

1.2 諧波引起電動機的溫度升高

在逆變器電路變流過程中, 其輸出電壓或電流為階梯波, 因此含有豐富的諧波, 致使異步電動機在非正弦電壓電流下運行。以當前比較普遍使用的正弦波PWM 變頻器為例, 其低次諧波基波基本上為零, 剩下的是比載波頻率( 晶體管開關頻率) 大一倍左右的高次諧波分量。高次諧波會引起定子銅耗、轉子鋁耗、鐵耗及附加損耗的增加, 最為顯著的是轉子鋁耗。如將普通異步電動機運行于變頻器輸出的非正弦電源條件下, 在同樣的輸出和相同的散熱條件下, 要比工頻時溫升約增加10%～20% 。

1.3 低速時的冷卻效果差

在電源頻率較低時, 因普通異步電動機的阻抗不盡理想, 使電源中高次諧波所引起的損耗增大。再者, 自冷式普通異步電動機在轉速降低時, 冷卻風量將與轉速成正比例地減小, 這必將使電動機的低速溫升急劇增加。據分析和實驗證明,對中小型容量的自冷式電動機, 其定子繞組溫度上升9.6%～24.1%。

以上這些原因都能使繞組絕緣受到危害。因此, 采用逆變器做電源的電動機, 對于以上原因引起絕緣老化的問題, 在改造設備之前應充分考慮到。

2 如何解決變頻電源對電動機繞組絕緣的危害

通常電動機實際的繞組絕緣耐電壓水平是針對正常運行電壓而言的, 而在變頻電源作用下, 線圈匝間絕緣承受的電壓要比正常高出數十倍, 所以在規劃之前, 有必要特別考慮絕緣協調問題。協調的目的是: 不因反復施加脈沖電壓而引起絕緣老化, 不使繞組產生有害的電暈電壓。對于新購的變速交流電動機, 因為設計時就已經考慮到絕緣協調的問題, 所以不存在絕緣協調問題。但是,作為調速對象的現有電動機來說, 由于設計時沒有考慮絕緣承受脈沖電壓和變速運行,所以必須考慮絕緣協調問題。

2.1 對電動機絕緣性能進行診斷。

2.1.1 絕緣性能的診斷有各種絕緣試驗方法, 主要有下列幾種:

(1) 絕緣電阻的測試;

(2) 介質損耗角正切的測試;

(3) 局部放電試驗;

(4) 交流電流試驗。

根據其中某一種試驗方法來判斷絕緣劣化是困難的, 一般情況要對全部項目試驗的結果進行綜合分析評定。再者, 作為被評定的電動機用低電壓和高電壓的試驗項目也不同, 所以按試驗的目的, 能夠適當綜合進行判斷。作為劣化判斷基準也沒有絕對數量值, 個別情況下是按具體情況規定的。另外, 還要知道電動機是如何運行的以及運行的歷史情況,要掌握絕緣特性隨時間變化的情況, 這些對于判斷絕緣劣化是有幫助的。通過上述實驗分析, 對現有電動機的絕緣性能作出綜合評定。

2.1.2 對現有電動機改用變頻電源時,必須采取以下措施:

2.1.2.1 解決換流脈沖及高次諧波對絕緣危害的措施

2.1.2.2 調查現有電動機的制造年份、絕緣方式, 判斷出匝間和對地絕緣對脈沖電壓的承受能力;

2.1.2.3 選擇換流脈沖較小的電壓型多疊換流方式;

2.1.2.4 裝設阻容吸收裝置。在逆變器輸出和電動機輸入之間裝設阻容吸收裝置,使換流脈沖波形的波頭鈍化, 使波幅值得到改善, 從而吸收成抑制浪涌電壓;

2.1.2.5 串入交流電抗器。在逆變器輸出和電動機輸入之間的線路上串入交流電抗器, 可抑制高次諧波。

2.2 解決溫升冷卻方式

如前所述, 為了減小損耗、降低溫升,對現有電動機改用變頻電源時, 應采取有效措施, 使其在相同容量、相同轉速下損耗和溫升不致過高。但由于變頻調速電動機運行速度范圍很廣, 高低速度變化很大, 而風扇風量Q 與轉速n 有如下關系:

式中 R 風路的風阻。

可見低速時電動機通風量將隨轉速成比例減小, 也就是說, 電動機的冷卻能力與轉速有關。而全封閉的外扇形電動機的轉速n與冷卻系數c 有如下關系:

式中 CN額定轉速nN 時的冷卻系數;

α計算系數, 約為0.5～0.65。

因此, 為了防止變頻調速電動機低速運行時冷卻能力的下降, 在規劃設計時, 應對電動機的冷卻方式進行改造, 安裝簡易、冷卻效果好的全封閉外扇形式進行冷卻, 以確保電動機安全運行。

3 結語

總之, 變頻電源對普通電動機線圈絕緣的影響,不是簡單一方面的問題, 需對上述各方面綜合考慮。所以對現用電動機采取變速控制時, 必須調查電動機制造年份、絕緣特性,然后按此選用合適的VVVF控制方式。根據具體情況采取阻容吸收裝置、電抗器抑制及改善冷卻方式等必要措施。

[1]陳伯時.電力拖動自動控制系統.北京：機械工業出版社，1990

[2]黃俊.半導體變流技術.北京：機械工業出版社，198 6

[3]吳忠智.變頻器應用手冊.北京：機械工業出版社，1995

[4] A．E．Fitzgerald,Charles Kingsley,JrStephen D.U m a n s著;劉新正,蘇少平,高琳等譯.電機學(第六版).北京：電子工業出版社，2004

Harm to the of Common Motors by Transducer and the Protection

TIAN Hong bin21, XIONG Xin guo2
1.Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450052, China;2.Henan Vocational and Technical College, Zhengzhou 450000, China;

In recent years, power source of converted frequency has been widely used with motors to improve the capabilityof the original motors.But in reality, the insulation of commonmotors will be harmed to some degree because of the appli??cat ion of high harmonic frequency in the power source of converted frequency.This article makes analysis on the harmedinsulat ion of motors by the power sourer source of converted frequency to find out the reason and counter measures so thatopinions be raised to improve the equipments.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.074

田紅彬(1976-)，男，河南鄭州人，鄭州

輕工業學院電氣工程專業工程碩士，河南職業技術學院講師，主要研究方向電氣自動化控制技術。

熊新國(1975-)，男，湖北荊州人，河南職業技術學院講師，主要研究方向電氣自動化控制技術。