變頻器供電對永磁電機振動噪聲源的研究

江西省新余市分宜縣分宜宏大煤礦電機制造有限公司 潘冬連 李昌欣

關鍵字：變頻器；永磁電機；噪聲源

1 永磁電機的理論分析

1.1 永磁電機的電磁力矩

電磁力矩是由電樞繞組、轉子鐵心和勵磁線圈中感應磁場的強度所構成，其大小與電流平方有關。當電動機在通電時，由于電動機內部為閉合回路而流過的電流稱為電動勢。電機產生振動噪聲主要是因為它本身存在電阻引起，若將定子表面施加高頻交變電壓時則會導致電樞繞組內損耗增加、轉子鐵心發熱等一系列現象形成了電磁力矩和磁路損耗這兩個問題，但在實際運行中，由于電機的電磁力矩和定子繞組中產生的交變磁場會導致電樞鐵心與轉子表面間存在著一定程度上附加應力，這在電動機振動噪聲分析中是很重要的。

1.2 永磁電機的磁場

永磁電機是由轉子、定子和電樞鐵芯組成的。在實際運行中，由于存在磁場，所以產生渦流作用。當電動機的轉子線圈被擊穿時（即線圈外徑大于或等于0ns）時會在繞組上形成感應電流源，而當繞線與電網之間發生故障時它所帶過負載會使其內部電路發生變化從而引起電機外部電場強度變化和機械損耗等影響。永磁體是由鐵芯、絕緣以及氣隙組成，其主要特點是永磁體的質量比較小，但是它具有很高矯頑力，在工作時產生較大變形。由于轉子繞組中存在有感應電流源以及定子鐵芯等雜質顆粒和分布均勻性不同所形成的磁場強度也不相同。當電動機運轉過程中會引起電機振動噪聲、沖擊載荷及諧波分量這些因素都會對電能傳輸造成影響，而永磁體本身就具有磁性，其結構相對比較復雜且在電樞上產生大量損耗是無法避免的現象。

1.3 永磁電機的耦合

電機的振動噪聲源與轉子、定子等是相互獨立的，但是在系統中卻有著緊密聯系，通常將其稱之為耦合。耦合系數越大時產生得振動噪聲越小。繞線線圈及接頭和鐵芯之間存在著一種“磁斥力”作用：當永磁體受到外磁場激勵后就會發生變形或彎曲現象從而引起電磁轉矩增大、電流降低等效應，而相反的是如果在一個極板上施加電場，則使該極片與導線間產生了電感，從而產生了較大的磁斥力，使電磁轉矩減小，并且會引起附加磁場，導致轉子旋轉。繞線線圈與鐵芯之間存在著氣隙——電樞連接。當永磁體受到外場激勵時必然要克服鐵心內應力而形成一個具有機械特性的渦流損耗區；當其在一定溫度下振動時由于產生了熱效應從而使得這個渦流產生發熱并使之產生氣力矩和噪聲，稱之為“靜噪”，也就是在鐵芯產生振動噪聲的同時，又要釋放出電感，從而引起附加磁場。所以當永磁體受到外場激勵時必然會產生氣隙——電樞連接[1]。磁路中存在著大量的“空載”現象是由于繞線線圈和絕緣材料之間有了不同程度地相互摩擦所形成得電磁力矩作用在鐵芯上而產生的振動噪聲；同時也可以通過消除它們間相互耦合來降低諧波分量，從而使電動機運轉平穩并達到良好狀態。

2 變頻器供電對永磁電機振動噪聲的計算

2.1 概述

振動噪聲源的產生是由于電機運行時會發熱、鐵心溫度升高等，造成這些部位在工作時，會出現抖動，導致電動機和軸承之間發生相對運動而引起振動。轉子繞組線圈接頭接觸不良或漏電；繞線斷路器產生較大的分力槽使定子電流增大從而形成了附加應力；當定子有缺陷或者其他原因使得電機發熱、鐵心溫度過高時造成局部過熱等都會引發轉子上端處出現明顯的熱噪聲，使電機產生振動噪聲；定子鐵心接頭處的熱應力過高，造成軸承松動，從而引起其變形、彎曲和扭振。電動機運轉時轉子繞組在不同轉速下存在有一定交差磁通。當負載過大或電流過小都會引發發熱現象而形成熱噪聲；定頻交流電源產生的電磁場具有較大渦流損耗系數以及諧波分量大等特點也是產生振動噪聲的原因之一，因此電機轉子上的渦流損耗系數較大，而諧波分量較小時會產生明顯的磁場噪聲。

2.2 永磁電機的諧振頻率

在對永磁電機進行仿真時，我們可以知道，當電動機的負載電流達到了一定值，就會導致諧波成分增大。所以如果電動機中存在一個共振頻率的話將會使得振動噪聲變大。而由于過流保護電路是用來限制和抑制由諧振引起的沖擊信號。因此通過改變線圈上施加阻尼器來消除或減弱由其產生所引發的附加振動問題就是對電機進行瞬時檢測分析方法之一；在仿真過程當中，我們可以知道當電流值大于設定值后，電機就會處于諧振狀態，而當電流值大于設定的阻尼器時，電動機則是不需要外加力。在分析諧振線圈產生的振動問題時，我們通常采用繞線式和阻尼器來對電機進行檢測。而電流是通過改變鐵芯中通入電阻從而得到變化。當電流值大于設定數值后，電動機就會處于一個諧波狀態；如果電壓小于給定數值且流過磁場強度超過了規定要求時則不需要外加加力的措施即可達到保護效果，這樣就可以達到保護電機的目的。當電流和磁場強度成反比時，電動機就會處于諧振狀態，而當磁場強度超過一定極限值后又有一個負反饋回路來消除由諧波引起的附加振動問題；如果在過載情況下產生了正弦沖擊負載則不需要外加阻尼器；反之若是施加阻尼器使電動機處于正常工作頻率以上就可達到保護電機目的。在分析諧振線圈產生的振動問題時，我們可以通過改變電流來達到目的。當電動機工作頻率較高時為正弦波。此時電機處于正常運行狀態；如果為負值電感則會出現反轉現象，但這個反轉后就不會再發生反相情況了，由于負載的變化和繞組中電阻、磁導率不同等原因造成正弦沖擊導致電動機反向轉動產生振動問題也是可以避免的。

3 變頻器供電對永磁電機振動噪聲源的實驗

3.1 變頻器供電的原理

變頻器供電可以分為直流式和交流諧振，其中，在電動機的調速性能上有明顯改善。但是對于電機的振動也是一個系統工程。當電力電子技術發展到一定程度時就會產生大量不同類型、尺寸以及不同形式、功能各異種類不一且復雜多樣并且互相矛盾沖突的物理現象及非線性動力學特性等問題；變頻器供電方式可以分為直接式和間接式兩種，其優缺點如下表所示：直流諧振調速裝置中，變頻器的調速性能優于直流諧振，但是其調速器體積較大，且結構復雜。交流濾波器與交流傳動裝置中都是專門為直流電源供電。在實際應用過程中有很多種方法可以解決交流電網產生的問題：采用濾波電路來對頻率較低、有干擾因素存在或不需要整流就能獲得穩定輸出電壓和電流；用電變換器代替直流穩壓電源直接將電能轉化成符合所要求的高頻高壓大功率電氣設備，以減少諧波對電機的影響。在交流電網產生問題時，可以通過改變變頻器結構來控制直流穩壓電源輸出電壓和電流；采用并聯式繞組方式，使電機兩端供電給負載或整流電路。

3.2 實驗系統及方案

本課題主要針對永磁電機在運行時產生振動噪聲進行分析，并對其振動現象的特點，提出了一種基于單片機控制技術的變頻器供電系統。首先通過軟件程序來采集、處理及顯示實時檢測到的數據參數；然后利用硬件設計與實現一個簡單而又有效地算法。該方案采用的是電壓型三相橋式整流器作為電源控制器和驅動電路部分組成；在供電方式上主要有兩種：恒壓/溫升限流調速，以提高動態性能為目的進行調整，從而使系統的動態性能得到改善，達到對電機振動噪聲抑制，并能有效地消除供電引起的諧波和轉差動。本課題在供電系統中加入了單片機，以實現對三相橋式整流器的控制，同時利用硬件設計與軟件程序來消除或減小諧波和轉差引起的影響。

3.3 變頻器供電對電機振動噪聲源的效果

通過對變頻器供電與保護系統的實驗，可以得出，在實際運行中，永磁電機振動噪聲源均是由各種工況引起。但是由于本次試驗條件等因素限制并未達到預期結果。但通過分析發現：當負載電流為零值時產生的是最大負荷功率；負載電流大則發生鐵損程度也就較大，這是因為電動機工作時會發熱大量的熱氣導致其溫度升高而造成的原因。具體有以下幾種情況：電機在啟動或制動過程中出現異常狀況，即電機啟動或制動到某一個瞬間時出現了異常情況；電動機的運行過程中，其工作電流比正常現象較大，且在這個時間段內，有大量氣體會從集油器排出致使發熱產生。原因是由于變頻器供電系統本身存在著電阻等元件使負載兩端阻值不斷變化引起；當電機在啟動或制動過程中，負載兩端阻值變化過大，在一定時間內，會導致電流的增大；當電機在制動過程中，負載兩端電流持續增大，導致了電動機的發熱；當電機在過壓狀態下工作時，電動機的鐵芯產生較大電流，導致其發熱，可能是由于轉子繞組上存在著熱漏氣而引起；當電機在啟動或制動過程中，出現了異常情況，即電動機的轉速突然下降，造成其發熱現象。原因是由于變頻器供電系統本身存在著電阻等元件引起[2]。

通過上述分析，可以得出結論：在電機的運行過程中，有很多因素會引起電動機產生振動噪聲。但是變頻器供電系統本身也是一個吸振回路和非線性元件。當其工作時存在著電阻等元器件。綜上所述可知：變頻器供電對電機振動噪聲沒有影響；由于該裝置具有電感、電容等功能所以可以在一定范圍內減小電流的波動，降低電壓的脈動值，從而達到保護電動機運行安全與穩定以及提高設備效率目的；由于變頻器供電系統本身的電阻率較低，所以其吸振效果也比較好，降低了電動機自身產生振動噪聲；因為該裝置具有電感、電容等元器件特性使得在電機正常運行時可以有效地吸收諧波電流。

綜上所述，變頻器供電系統本身的吸振效果是最好也是最佳，在實際工程應用中可以有效降低電機運行噪聲。在實際的工程應用中，由于變頻器供電系統本身具有電阻率較低、電感等元器件特性，所以其吸振效果也比較好。但是因為該裝置是通過電機自身固有頻率與諧波電流來實現對電動機振動噪聲源產生影響的。

4 變頻器供電的振動噪聲

4.1 變頻器供電對永磁電機振動噪聲的影響

在變頻器的供電下，電機振動噪聲主要是由直流電壓引起。對于交流電動機，當其輸出為正弦波時就會產生附加諧振。而在交流電機的輸入端則可以產生較大頻率和較低頻率且具有不同振幅、以滿足負載功率需求等特點的是交越電感線圈中感應出大量電子脈沖電流（稱為磁滯積）；相反地如果將輸出變為直流電源后，電機振動噪聲便可轉化成交流電動機的磁場噪聲。但是在變頻器的供電下，永磁電機產生較大頻率和較低幅度的交越電感線圈中感應出大量電子脈沖電流（稱為直流磁場噪聲）便可以轉化成電磁噪音。

這兩種現象也是由它們各自對諧振源造成影響所致。直流電感線圈的諧振頻率很高，且其固有振蕩頻率較低，因此對電機振動噪聲影響很大。而在變頻器供電下可以通過改變交流電機輸出電壓來控制交流電動機的磁鏈結構產生共振現象。所以說在實際中，利用變頻電源與永磁鐵之間并聯搭配能夠有效地減小振動噪聲和提高系統工作穩定性。

直流電感線圈繞組所采用的是矩形鐵芯材料，其電磁扭轉力矩分布是由磁場激勵引起的；而變頻電源所產生的電磁扭振力矩會影響到電機繞組線圈磁場強度，因此在實際中利用變頻器供電可以有效降低諧波成分。交流電動機與直流發電機共同作用形成了電感效應，當交流電機輸出電壓增大時，轉子磁極開路、勵磁回路以及靜止磁鐵都發生變形，從而引起交越電感和靜度變化導致振動噪聲的產生。

而由上述分析可知電機運行過程會產生較大頻率及較低幅度的高頻振蕩，由于變頻電源的存在使得電動機工作時產生了較高頻率及較大靜度，所以在實際應用中利用交流電機作為供電源可以有效降低諧波成分。

4.2 變頻器供電的振動噪聲抑制

在變頻器的使用過程中，由于各種電氣量之間相互影響，會產生一定頻率、振幅和相位變化的振動噪聲。對其進行有效地抑制是一個非常重要且有意義，例如提高電機運轉時電壓穩定性等。首先針對配電網諧波引起轉子磁場不平衡而引發故障現象；其次通過改變供電系統來降低三相變頻器輸出間差值進而消除單相激勵引起的振動，從而減小電動機運行過程中產生共振和過載情況發生頻率波動的可能性；最后通過變頻器供電來對電機進行有效地保護，降低電能質量問題帶來的損失。

針對配電網諧波引起的振動噪聲，可以從以下幾個方面來著手：提高供電系統中變壓器、電動機等電氣設備和變頻器之間相互間產生共振頻率。通過更換變頻器以減少單相激勵引起的附加值。通過對變頻器供電系統中的諧波進行消除或抑制。對變頻器供電系統中的電力電子器件進行有效地隔離和保護，從而降低諧波和電能質量問題帶來引起的振動噪聲。針對上述問題，在變頻器供電系統中，可以從以下幾方面來著手：提高電動機的電氣性能。由于電力電子器件本身就容易產生形聲、畸變等現象。因此需要采用有效地措施防止諧波。例如采用屏蔽式磁電或電容充放電技術，對電機進行阻尼控制和抗干擾處理，通過合理選擇電氣參數以及電路結構設計來減少電能質量問題帶來的振動噪聲，從而有效地降低電氣故障對電機的振動噪聲。在變頻器供電系統中，應盡量減少電力電子器件發生工況異常情況時，使電動機產生共振。