電機試驗中變頻器對電機性能的影響

周瑋杰， 張寶強， 陳 琳

(1. 上海電科系統(tǒng)能效檢測有限公司，上海 200063；2. 上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063)

0 引 言

變頻調(diào)速是一種效益高、性能好、應用廣的交流傳動技術(shù)，已被廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及國防等領域,是國家提倡推廣的節(jié)能技術(shù)之一。變頻電機是專門為精確調(diào)速而設計的三相異步電機。通過改進普通三相異步電機，使之與變頻器組成的動力系統(tǒng)在一些場合可替代直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，對變頻系統(tǒng)的測試技術(shù)也提出更高要求，以往的測試技術(shù)都是針對普通三相異步電動機，雖然變頻電機本質(zhì)上是三相電機，但在測試方法上卻有所不同。

變頻調(diào)速系統(tǒng)中存在的變頻器，為電動機帶來了諸多不利因素，包括： 效率、功率因數(shù)下降，噪聲、振動增大，電磁設計與絕緣設計的改變等。為更好地發(fā)揮變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)勢，須通過試驗重點研究變頻器對電動機的影響。

1 變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)試驗分析

從變頻調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，分析諧波產(chǎn)生的原因，再以同一臺變頻調(diào)速電機為例，在試驗項目、試驗人員、試驗儀器基本相同的條件下，對比正弦波電源供電與變頻器供電的電動機試驗數(shù)據(jù)，并分析試驗結(jié)果差異。

1.1 系統(tǒng)原理

電機轉(zhuǎn)速n與電源輸入頻率f成正比：n=120f(1-s)p(式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極數(shù))。變頻器將50Hz的工頻電通過整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電源，通過改變電動機電源輸入頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。變頻器原理如圖1所示。

圖1 變頻器原理

1.2 變頻器諧波產(chǎn)生原因及特點

變頻器的整流電路、逆變電路，都由非線性元件組成，在元件開斷過程中，其輸入端和輸出端都會產(chǎn)生高次諧波。變頻器輸入端的諧波還會通過輸入電源線影響公用電網(wǎng)[2]。

對于變頻器而言，只要電源側(cè)有整流回路，都因非線性產(chǎn)生諧波。以三相橋整流電路為例，交流電網(wǎng)電壓為正弦波，交流輸入電流波形為方波，對于這個波形，按傅里葉級數(shù)可分解為基波和各次諧波，通常含有6m±1(m=l，2，…，n)次諧波，其中高次諧波干擾電網(wǎng)。單個基波與幾個高次諧波疊加形成畸波，如圖2所示。

圖2 基波與諧波疊加后的畸波波形

在逆變輸出回路中，輸出電壓和輸出電流均有諧波。由于變頻器是通過CPU產(chǎn)生6組脈寬可調(diào)的SPWM波控制三相的6組功率元件導通和關斷，形成電壓、頻率可調(diào)的三相輸出電壓。其輸出的電壓和電流由SPWM波和三角載波的交點產(chǎn)生，不是標準的正弦波，含有諧波。非正弦波電壓加于負載，形成非正弦電流，也含有諧波。

由于諧波的存在，變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)與正弦波供電傳動系統(tǒng)性能上存在差異。對于變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)與正弦波供電傳動系統(tǒng)的性能，文獻[3]已給出了分析，如圖3所示。

圖3 異步電動機變頻器供電與標準正弦供電仿真波形圖

由圖可知，變頻器供電時異步電機的輸入電壓為一系列寬度不等的脈沖電壓，若對該電壓進行傅里葉分解，除含有基波外還含有大量諧波成分，這些諧波的存在使得異步電機的轉(zhuǎn)矩和相電流出現(xiàn)較明顯的脈動，但這些諧波對電機性能的影響具體為多大，各類文獻中缺少試驗數(shù)據(jù)證明。現(xiàn)將同一臺被試電機用于變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)與正弦波供電傳動系統(tǒng)進行性能對比測試。

1.3 試驗系統(tǒng)構(gòu)成

圖4所示為變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)，圖5為正弦波供電傳動系統(tǒng)，其中被試電機是型號為YYSP-200L2-2，37kW壓縮機專用變頻調(diào)速電動機，變頻器型號為GREAT VC10-250G3，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器為HBM 200N·m，聯(lián)軸器采用外徑φ160mm的聯(lián)軸器，陪試電機是功率為45kW的2極三相異步電動機。變頻試驗時，試驗系統(tǒng)饋電模式采用雙變頻器直流母排饋電模式。

圖4 變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)

圖5 正弦波供電傳動系統(tǒng)

1.4 兩個傳動系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)對比與分析

為使試驗結(jié)果具有可比性，正弦波供電傳動系統(tǒng)與變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)輸出頻率皆為50Hz。

傳動系統(tǒng)試驗對比數(shù)據(jù)如表1所示。由表1中數(shù)據(jù)可知，正弦波供電傳動系統(tǒng)的定子銅耗、鐵耗、機械耗都小于變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)。由于電機發(fā)熱主要來源于電機損耗，故正弦波供電傳動系統(tǒng)的電機溫升也小于變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)，正弦波供電傳動系統(tǒng)效率較高。在振動、噪聲方面，正弦波供電傳動系統(tǒng)在除最大振動位移外均優(yōu)于變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)。在考慮試驗誤差的情況下，可認為即使輸出為工頻，變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)也會使電機各項性能有所下降。

表1 傳動系統(tǒng)試驗對比數(shù)據(jù)

2 試驗結(jié)果的原因與改進意見

2.1 損耗增加的主要原因

由于變頻器在運行期間產(chǎn)生諧波，導致電機損耗增加，廣泛使用的正弦波PWM變頻器基本不含低次諧波，但含有分量為2u+1的高次諧波(u為調(diào)制比)。以電動機鐵耗為例，變頻電機在非正弦供電時的總鐵耗為

Pfe=Pfe1+∑Pfek，式中，Pfe1為正弦電源供電時電機的鐵耗；

式中：Gts、Gjs——電機定子齒部、軛部鐵心質(zhì)量；

Bts、Bjs——電機定子齒部、軛部磁通密度幅值；

K1、K2——電機定子齒部、軛部鐵耗校正系數(shù)；

Btsk、Bjsk——k次諧波定齒部、軛部磁密；

fk——k次諧波頻率。

可看出，由于諧波的存在變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)中的電機產(chǎn)生了另一部分鐵耗∑Pfek。此外，高次諧波的存在導致電動機定子銅耗、鐵耗、機械耗增加，故溫升有所提高。

2.2 噪聲振動增加的主要原因

電動機噪聲可分為電磁噪聲、機械噪聲、空氣動力噪聲。本文采用同一臺電機進行對比試驗，機械噪聲、空氣動力噪聲基本一致，故變頻器對電動機的噪聲與振動的影響在于電磁噪聲，而電磁噪聲主要由氣隙磁場產(chǎn)生的電磁力波引起電機鐵心軛部振動，并通過外殼將振動傳播出去而形成。兩次試驗氣隙中的電磁力波不同，主要是變頻電機受諧波電壓與諧波電流影響較多，原因是變頻器產(chǎn)生的時間諧波與電動機固有的空間諧波相互干擾，產(chǎn)生電磁力形成振動。當變頻器導致的電磁力頻率與電動機的固有頻率一致或接近時，將產(chǎn)生共振，從而加大了噪聲。由于電動機應用廣，調(diào)速范圍大，導致變頻器頻率的調(diào)節(jié)范圍較寬，所以各種電磁力波的頻率很難避開電動機的固有振動頻率。

2.3 改進意見

變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)性能降低的主要原因是諧波的影響，故須改進試驗系統(tǒng)以消除諧波。改進后的變頻調(diào)速測試系統(tǒng)如圖6所示。系統(tǒng)中加裝無源LC濾波器，減小高次諧波，降低諧波的影響，且成本較低、可靠性高、效果好。若變頻器輸入側(cè)加裝有源PFC裝置，效果更好，但成本較高。濾波器雖然可將部分諧波濾除，但不能將全部諧波濾除，其主要使電機電磁激振力波的頻率遠離定子固有頻率及變頻器開關頻率。盡量控制變頻電機在較寬的調(diào)頻范圍內(nèi)，始終保持理想噪聲。此外，該系統(tǒng)能將被試電機上吸收的能量通過電源部分直接返回供電電網(wǎng)，這不僅可節(jié)約能源和測試費用，也提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應和可靠性。

此外，諧波還會影響電機試驗中各測量裝置的準確性，故應對測量裝置進行必要改進。變頻器輸出電壓測量應選用整流式電壓表，其測量結(jié)果最接近諧波分析儀測量的基波電壓值，且與變頻器的輸出頻率有極好的線性關系；變頻器輸出

圖6 改進后的變頻調(diào)速測試系統(tǒng)

電流的測量通常選用動圈式電流表，考慮到該種儀表在低頻狀態(tài)下所配的電流互感器可能出現(xiàn)飽和，故建議變頻器輸出側(cè)的電流測量盡量選用變頻器自身的模擬量測量。

3 結(jié) 語

本文主要針對變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)中變頻器對系統(tǒng)各項性能指標的影響進行了分析。采用試驗測量與理論分析相結(jié)合的方法，利用基于相同試驗條件的電動機在正弦波供電與變頻器供電得到的試驗數(shù)據(jù)，研究損耗增加、溫升提高、噪聲、振動增大等試驗結(jié)果差異的產(chǎn)生原因，并給出添加濾波器，規(guī)避噪聲、振動頻率，改進試驗裝置等建議，幫助完善變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的設計、測量及生產(chǎn)應用。

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