高壓變頻器供電籠型電動(dòng)機(jī)選型

劉彭飛 陳紅亮 徐宇輝 許旭東

【摘要】從變頻器工作原理入手，分析變頻器對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)造成的危害，進(jìn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)的選型提出針對(duì)性的要求。

【關(guān)鍵詞】變頻器 高壓電動(dòng)機(jī) ?供熱

1?引言

目前，火力發(fā)電廠受環(huán)保壓力，節(jié)能減排技術(shù)日趨完善，采用變頻調(diào)速是電動(dòng)機(jī)最普遍采用的方式。但是，由于在電源主回路增加變頻器后，正弦波形被破壞，引入諧波電壓和諧波電流，正常的工作頻率被任意改變，繼續(xù)使用工頻電機(jī)能否適用這種工況，在目前對(duì)于高壓電動(dòng)機(jī)，在沒有規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)可依的情況下，正在使用中的工頻電動(dòng)機(jī)能否是必須更換，新采購的電動(dòng)機(jī)如何給電機(jī)制造廠編制技術(shù)要求，是本文主要探討的問題。

《新疆華電喀什熱電有限公司供熱系統(tǒng)改造項(xiàng)目》中，由于工藝改造需要，對(duì)4臺(tái)功率400kW，電壓等級(jí)為6kV的工頻循環(huán)水泵，將其中2臺(tái)改為變頻調(diào)速運(yùn)行。工頻電動(dòng)機(jī)改為變頻運(yùn)行后，電動(dòng)機(jī)能否繼續(xù)使用？工期緊迫的情況下，是否必須重新采購更換，是擺在我們?cè)O(shè)計(jì)人員面前急需答復(fù)的問題。我們?cè)噲D從《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中尋找依據(jù)，關(guān)于廠用電電動(dòng)機(jī)型式選擇描述如下：“”當(dāng)工藝系統(tǒng)對(duì)輔機(jī)有變頻調(diào)速要求時(shí)，應(yīng)注意變頻調(diào)速要求和不同變頻調(diào)速原理的變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求，如有必要，可選用變頻器調(diào)速專用電動(dòng)機(jī)。”這句話模棱兩可，沒有給出明確的答案。但是它指出影響的關(guān)鍵因素，即變頻器調(diào)速原理。因此，我首先從變頻器調(diào)速原理入手，分析不同調(diào)速原理對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響因素，然后，對(duì)電動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，最后得出電動(dòng)機(jī)選型建議。

2?變頻器原理

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=60f/p，f指電源頻率，p指繞組極對(duì)數(shù)。在電機(jī)極對(duì)數(shù)不變的情況，通過調(diào)整電源的頻率達(dá)到調(diào)試的目的。變頻器整流及逆變核心元件是IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，它是由是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件。通過三相橋電路晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷整流為直流，在經(jīng)中間環(huán)節(jié)電容或電抗濾波后，最后經(jīng)逆變后變成所需頻率的波形。

按原理分為分為交-交和交-直-交兩種類型;按直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能方式，交直交分為電壓型和電流型，原理見圖1和圖2。

2.1?電壓源型

電壓源型變頻器直流電路采用電容器濾波。在波峰時(shí)，由電容器儲(chǔ)存電能，在波谷是，電容器釋放電能進(jìn)行補(bǔ)充，從而使直流電壓保持平穩(wěn)。

電壓源變頻器主要特點(diǎn)為：輸出電壓為方波，電流為正弦波，圖3。

直流側(cè)并聯(lián)大電容，相當(dāng)于電壓源。直流電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。由于直流電壓源的箝位作用，交流側(cè)輸出的電壓波形為矩形波，并且與阻抗角無關(guān)、而交流側(cè)輸出的電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。

當(dāng)交流為阻抗負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能源的作用。

2.2?電流源型

電流源型變頻器直流電路采用電抗器濾波。在波峰時(shí)，由電抗器儲(chǔ)存磁場(chǎng)能，在波谷時(shí)，電抗器釋放磁場(chǎng)能來進(jìn)行補(bǔ)充，從而使直流電流保持平穩(wěn)。

2.3?控制回路

PWM控制（Pulse Width Modulation），脈寬調(diào)制技術(shù)，通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來獲得等效的獲得所需要的波形（形狀和幅值）;SPWM控制（Sinusoidal Pulse Width Modulation）正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，通過對(duì)一系列寬窄不等的脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來獲得等效的獲得所需要的波形（幅值、相位和頻率）。

2.4?小結(jié)

本工程6kV高壓變頻器采用廣州智光產(chǎn)品，型號(hào)Zinvert-A5H450/06B，技術(shù)原理為多電平串聯(lián)，交直交、電壓源型、高高方式，控制方式矢量控制、SPMW控制，遠(yuǎn)方/就地，模擬量/開關(guān)量/通訊。

實(shí)際工程應(yīng)用中，普遍采用的是采用矢量控制、電壓源型變頻器，電流源型由于諧波含量較大，較少采用。

3?不利影響因素及選型要求

變頻器多采用交-直-交結(jié)構(gòu)，將50Hz工頻變換成各種頻率的交流電源。輸入為標(biāo)準(zhǔn)正弦波形，經(jīng)變頻器整理元件變成直流電壓，在經(jīng)晶體管開關(guān)元件成頻率可調(diào)的交流。

工頻電動(dòng)機(jī)是基于頻率50Hz恒定頻率和恒定電壓的正弦波作為交流電源制造。因此在使用變頻器的輸出作為電機(jī)的交流電源時(shí)，對(duì)電機(jī)運(yùn)行特性做特殊的要求是必要的。

3.1?脈沖電壓

脈沖電壓通過電纜傳輸時(shí)，電纜的阻抗與負(fù)載的阻抗不匹配，在負(fù)載端會(huì)產(chǎn)生反射，進(jìn)而導(dǎo)致入射波與反射波疊加，形成更高的電壓，幅值高達(dá)額定電壓的2～3倍。過高電壓加在電機(jī)繞組線圈上，對(duì)線圈形成持續(xù)的沖擊，加速電機(jī)損壞。頻率越高對(duì)電機(jī)、電纜沖擊次數(shù)越多，頻率越低，電流畸變?cè)絿?yán)重。

3.2?諧波電流

諧波是指對(duì)周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，以3、5、7、13奇次諧波含量較高。變頻器的諧波含量關(guān)鍵參數(shù)取決于變頻器的整流脈沖數(shù)，從6、12、18等，整流脈沖數(shù)值越小，諧波含量就越大。

變頻器輸出波形存在著諧波成分，諧波電壓和諧波電流施加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上，就會(huì)造成附加的損耗，主要體現(xiàn)為諧波銅耗和鐵耗。而且這種損耗與轉(zhuǎn)速并不成正比，研究表明，轉(zhuǎn)速越低，損耗越大，這對(duì)長(zhǎng)期低速運(yùn)行的電機(jī)尤為不利。

3.3?絕緣結(jié)構(gòu)的壽命

電動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇一般與電機(jī)同轉(zhuǎn)速，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，風(fēng)冷減少，而此時(shí)附加的諧波銅耗又較大，溫升就會(huì)超過電機(jī)的絕緣水平，加快絕緣老化。因此，若采用工頻電機(jī)，在訂貨時(shí)需提出提高絕緣等級(jí)的要求;并且，采用冷卻效果與轉(zhuǎn)速無關(guān)的冷卻方式，如獨(dú)立風(fēng)扇或水冷等。

3.4?軸承電流

在電壓型變頻器供電運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)軸電壓和軸承電壓。當(dāng)超過軸承絕緣強(qiáng)度時(shí)，就形成一個(gè)電流通路，在旋轉(zhuǎn)過程中，由于絕緣油的阻斷，電流接通和開斷交通狀態(tài)，于是產(chǎn)生電弧，燒壞軸桿、滾軸的表面，形成凹坑，逐漸惡化。

3.5?電動(dòng)機(jī)額定電壓

本項(xiàng)目中，變頻器布置于一期原有材料間，而循環(huán)水泵布置于循環(huán)水泵房，兩者距離約100米。由于變頻器、濾波器及接線電纜引起的電壓降，因此選擇額定電壓需考慮這些因素。

3.6?轉(zhuǎn)矩降低

電動(dòng)機(jī)本身，產(chǎn)生附加諧波損耗來源有2個(gè)，一個(gè)是電機(jī)勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)在氣隙中產(chǎn)生的磁場(chǎng)非正弦波，因此在定子繞組內(nèi)感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)也非正弦波，除了基波外還存在一系列諧波;一個(gè)是定子電流，即變頻器的輸出電流。電機(jī)本身固有諧波很難消除，又加上額外的諧波，而且，變頻器的諧波在定子中生產(chǎn)諧波轉(zhuǎn)矩，一系列的高次諧波，在電機(jī)氣隙空間形成反向的磁勢(shì)，和電子磁場(chǎng)一樣，諧波磁場(chǎng)也切割導(dǎo)體轉(zhuǎn)子并產(chǎn)生感應(yīng)電流?；\型電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與諧波磁場(chǎng)具有相同極數(shù)，相同的轉(zhuǎn)速，因此，異步電機(jī)轉(zhuǎn)子電流和諧波磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生附加電磁異步轉(zhuǎn)矩。諧波轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向相反，為制動(dòng)的轉(zhuǎn)矩。

電動(dòng)機(jī)不同型號(hào)，它的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)電流、轉(zhuǎn)差率等參數(shù)均不同。當(dāng)使用PWM調(diào)速時(shí)，應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性。在工藝需要較高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，可以通過選擇低基速的電機(jī)、基速較低的電機(jī)在低速時(shí)具備較大的轉(zhuǎn)矩，而且電流較小。

3.7?轉(zhuǎn)速

長(zhǎng)期低速運(yùn)行時(shí)，熱裕度要大或強(qiáng)迫冷卻;軸承長(zhǎng)期運(yùn)行于10%基速一下，滑動(dòng)軸承性能要由制造廠確認(rèn)。在電動(dòng)機(jī)高于額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時(shí)，其噪音和振動(dòng)強(qiáng)度將會(huì)增大。要求電動(dòng)機(jī)做精細(xì)的較平衡以滿足在額定轉(zhuǎn)速以上加速能力。此外，軸承壽命可能會(huì)降低，并關(guān)注加油的間隔時(shí)間補(bǔ)充潤(rùn)滑油。

3.8?轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

變頻器的各次諧波，在定子、轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生集膚效應(yīng)，使得導(dǎo)體有效截面減少，電阻增大，進(jìn)而電子、轉(zhuǎn)子銅耗增大。而且，轉(zhuǎn)子損耗占電機(jī)總損耗的比例最大，尤其是低速運(yùn)行時(shí)。集膚效應(yīng)的強(qiáng)弱取決于轉(zhuǎn)子電流的頻率和槽形尺寸。因此，在訂購電機(jī)時(shí)，要求廠家要特別注意轉(zhuǎn)子槽形的選擇，最大限度減少集膚效應(yīng)。

4?工程實(shí)例

新疆喀什項(xiàng)目由于供熱工期緊急，業(yè)主堅(jiān)持利用原來的6kV熱網(wǎng)循環(huán)泵電機(jī)，作為設(shè)計(jì)人員來講，安全、可靠肯定是放在第一位的。因此我們利用ETAP軟件建立一個(gè)諧波計(jì)算模型，來分析一下變頻器諧波含量值是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。廣州智光A5系列變頻器采用脈沖數(shù)量為30，經(jīng)過計(jì)算分析，諧波總量約2%，波形如圖4，低于GB/T14549 和IEEE519規(guī)定。對(duì)電機(jī)的主要危害就諧波，經(jīng)和廠家溝通，對(duì)電動(dòng)機(jī)、對(duì)變頻器至電機(jī)的長(zhǎng)度均不作要求，至此，我們才同意業(yè)主要求，但要求在運(yùn)行過程中，密切關(guān)注電機(jī)繞組溫度，加強(qiáng)維修保養(yǎng)。

5?結(jié)論及建議

綜上，當(dāng)采用工頻電機(jī)用作變頻使用時(shí)，需對(duì)變頻器訂貨提出較為嚴(yán)格的要求，并在加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)，密切關(guān)注電機(jī)運(yùn)行狀況，尤其是發(fā)熱。在新建工程中，在采購電動(dòng)時(shí)，建議統(tǒng)一采用變頻器專用電機(jī)，畢竟變頻扭曲了工頻的正弦波形，雖然隨著電力電子技術(shù)的不斷完善發(fā)展，采用的PMW、矢量控制以先進(jìn)的算法，但讓無法保證對(duì)電機(jī)的零傷害。尤其針對(duì)關(guān)乎民生的供熱項(xiàng)目，對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行的可靠性要求更高。在使用變頻器的場(chǎng)合，應(yīng)從電動(dòng)機(jī)廠家索取有關(guān)數(shù)據(jù)，以保證電機(jī)的過電壓能力、轉(zhuǎn)矩特性、對(duì)諧波的承受能力等。以上為本人結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，與同行分享。

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