(变频器对电机与电网的影响.docVIP

1　引言　　变频器的调速性能能够满足各种生产工艺机械设备的要求，对风机水泵调速调节流量的节能效果很明显，故变频调速已获得广泛应用，但也带来一些特殊问题，不可掉以轻心。 2　采用普通鼠笼电动机　　变频调速专用电动机为变频调速而设计，在电机设计中，已考虑了一定的必要的对策措施，问题是原为电网电源供电设计的电机(以下简称普通电机)，现在欲用于变频器供电，这就有一些特殊的问题要探讨。　　为变频调速而采用普通电动机，可能见之于下列场合:技术改造工程，例如为了节能而对水泵风机调速，电机早已有了。即使是新建工程，如果采取某些措施，也不是非用变频电机不可，何况普通电机价格相对较低，也易于获得需要的一般机械电气性能参数和机械结构型式，最常见的是风机水泵应用。　　采用的变频器最常见的是电压源型变频器，其逆变器输出通常都是正弦波脉宽调制(spwm)方式，输出电压除了正弦形基波外，还有khz数量级(可达几十khz)的高频成分，这类变频器是讨论的重点。偶而可以遇到电流源型变频器，其输出电流是阶梯形波，谐波次数为5，7，11，13……等，本文不多讨论，讨论的内容也不涉及电机的启动和瞬变现象，但内容覆盖了调速范围内各种速度下的性能。 3　电机转矩的降低　　普通电机由电压源型变频器供电时，转矩要有所降低。这里的电机转矩降低不是指电机在调速运行时不能够产生原有的额定转矩，因为现代的变频器技术可以克服各种障碍以得到足够的转矩，而是由于谐波引起电机的铁损和铜损增加，若维持额定转矩运行可能就会因温升过高而缩短绝缘寿命。考虑上述各种因素，转矩降低系数的典型值为0.8~1.0。对于恒转矩特性负载(负载要求的转矩不随速度而变)且电机是共轴自冷却风扇时，由于低速时冷却能力明显降低而恒转矩运行表明电流不变，若较长时间运行是肯定不行的(温升过高)。由于离心式风机水泵消耗的功率随转速降低而急骤(约为三次方关系)降低，且所配套的电机功率一般都有一定的裕度，因而电机转矩的降低对风机水泵负载来说一般都不会有问题。　　对于恒转矩负载，电机不是共轴的自冷却风扇，而是独立的通风冷却例如强迫通风冷却，这种场合，普通电机是否可行,要看电机功率的原选配是否有约20%的富裕能力，以克服铁损铜损的增加而导致的过高温升问题。 4　电机的绝缘寿命　　电压源型变频器的逆变部分通常用快速电力电子半导体器件如igbt，因而电压上升速度很高，使电机的匝间绝缘承受很大的电压应力，特别是首端线卷的匝间。其所承受的电压应力的强度大小决定于电压脉冲的峰值、电压的上升速度和调制频率、变频器和电动机之间的电缆特性和长度、电机绕组的设计以及其它的系统参数。　　用漆包线的散嵌绕组类型的电动机可能能够承受上述脉冲电压而不会明显地缩短寿命。　　电缆的特性和长度对电机绝缘寿命有影响是因为电缆有分布电感和分布电容，而电机对变频器输出的高频而言，电机的感抗是很高的，可认为是开路的无穹大，分析这类高频波在电缆中的现象要用到行波理论，当超过一定的电缆长度，行波到达电动机端头上时，电压可能升高一倍，对电机的绝缘特别是匝间绝缘构成威胁，某些变频器厂家规定对电缆有长度限制，就是此理。　　对额定电压500v及以下电动机的绝缘系统通常能承受一定的电压峰值而可有满意的寿命期，但是在变速运行时，要避免速度的快速变化，因这可能引起在变频器输出的再生电压达到电动机额定电压的两倍以下。　　额定电压超过500v的电动机，可能要求电动机有加强的绝缘或在变频器输出端加装滤波器以限制电压峰值或/和降低电压上升速度。 5　电动机的轴承电流　　工程设计人员可能不大关心这个问题，但它确是个问题，直接受害对象是电动机的轴承，通过不大的轴承电流会使轴承表面产生麻点，最终不能正常工作，美国已有事故报导。关于这个轴电流问题在iec的有关标准中有规定，见文献[1]。　　调速传动系统是一个复杂的系统，供货方包括变频器(产品可包括电抗器)、电缆和电动机，而直接有关的只有两家即变频器和电动机生产厂。变频器有产品标准，电动机也有产品标准，两者之间的匹配有时可能还得系统集成者—工程设计人员来关照。5.1　产生的原因　　即使是正弦波电源供电，也有不大的轴电压产生，这是由于电机磁轭的不齐整性而在定子园形铁芯内(从端面看铁芯是一个园环)产生磁通，轴电压主要是工频，若轴电压不超过500mv，通常不需要采取措施。轴电流沿着轴、轴承、电机外壳，另一端轴承再返回到轴形成闭合回路。　　变频调速产生的轴电流是另一种机制，它是由电压源型变频器产生的所谓共模电压引起的，此共模电压是变频器所固有的，缘于它的电路结构和控制策略，其峰值约为交一直一交电路中间直流电压的50%，可以认为是三相系统的零序电压分量，特别包含了变频器输出电压中的谐波成分，共模模型的等值电路图如图1所示，轴电流最后返