潘 星， 盧嘉華

(浙江省電力試驗研究院，浙江杭州 310014)

0 引言

變頻器主要應(yīng)用于交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是理想的調(diào)速方案。變頻調(diào)速以其自身所具有的調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)好、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，在許多需要精確速度控制的應(yīng)用中發(fā)揮著提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的作用［1］。

變頻器輸出的電壓電流波形是由開關(guān)元件通過一系列的控制調(diào)制而成，與完美的正弦交流波形存在較大差異，變頻器輸出電壓的非線性、脈沖性、重復(fù)性等特征嚴(yán)重惡化了電動機(jī)的電氣運(yùn)行環(huán)境，容易造成電機(jī)溫升噪聲增加、絕緣老化加劇等不良后果，縮短電機(jī)使用壽命，甚至破壞電機(jī)絕緣，造成電機(jī)損壞。

1 電壓源型高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)［2-3］中關(guān)于各類變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有較全面的描述。圖1為電壓源型變頻器的基本結(jié)構(gòu)，采用二電平逆變方式，電路控制簡單、技術(shù)成熟、體積小、成本低，可廣泛應(yīng)用于軋機(jī)、起重機(jī)、電力機(jī)車牽引、船舶主傳動、風(fēng)機(jī)、水泵等。但二電平逆變存在對單管的耐壓要求高，且輸出電壓的du/dt大、所含低次諧波分量相對較高等問題。

圖1 交-直-交電壓源型變頻器基本結(jié)構(gòu)

圖2是三相二極管鉗位三電平逆變器主電路，三電平結(jié)構(gòu)變頻器的轉(zhuǎn)矩紋波和電機(jī)噪聲較低，對電機(jī)絕緣無損害，典型應(yīng)用于風(fēng)機(jī)水泵、傳送帶驅(qū)動、礦石粉碎機(jī)、軋機(jī)、擠壓機(jī)、窯傳動等。但其開關(guān)元件一般采用GTO或IGCT器件，需要復(fù)雜的緩沖電路和門極觸發(fā)電路，輸出電壓波形畸變嚴(yán)重。

圖3為多電平串聯(lián)的H橋逆變器結(jié)構(gòu)，采用低壓絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，輸出波形完美無諧波，轉(zhuǎn)矩紋波和電機(jī)噪聲較低，對電機(jī)絕緣無損害，典型應(yīng)用于風(fēng)機(jī)和水泵調(diào)速。但其器件多，使得可靠性差，節(jié)點(diǎn)多增加連接難題，大量變壓器使電氣室的空間和散熱成為問題。

圖2 二極管箝位三電平逆變器結(jié)構(gòu)

圖3 多電平串聯(lián)H橋變頻器結(jié)構(gòu)

二電平結(jié)構(gòu)的不利因素使其在高電壓等級中的應(yīng)用受到一定限制，人們通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多重化來實(shí)現(xiàn)高壓逆變器的應(yīng)用，但由于多重化結(jié)構(gòu)器件較多，帶來了制造成本高、可靠性差、主要一次設(shè)備的連接及散熱困難等問題。因此，現(xiàn)階段在常規(guī)IGBT最高反向耐壓允許范圍內(nèi)(1 000～1 200 V)，二電平逆變變頻器仍是首選。

2 諧波和溫升問題及其應(yīng)對措施

變頻器供電電壓波形均為非正弦波，存在一系列高次諧波電壓，高次諧波電壓會使電機(jī)產(chǎn)生附加銅損、鐵損、附加機(jī)械損耗等，諧波產(chǎn)生的集膚效應(yīng)使轉(zhuǎn)子電阻增加導(dǎo)致轉(zhuǎn)差銅耗顯著增加，這些附加損耗導(dǎo)致電機(jī)有額外溫升，電機(jī)往往要降額使用。

逆變回路采用多電平技術(shù)，一定程度上可改善變頻器輸出諧波，如將兩組二電平逆變回路直流側(cè)并聯(lián)，導(dǎo)通角為θ，移相角為φ，設(shè)逆變輸出分別為U1和U2，分別如式(1)、(2)所示:

疊加后電壓U為

根據(jù)式(1)～(3)，選擇合適的導(dǎo)通角θ和移相角φ，可使得輸出電壓U選擇性的消除一部分諧波。安裝濾波器也是抑制諧波的常用辦法之一，但在變頻器輸出側(cè)采用濾波器僅適應(yīng)電壓、頻率都恒定的控制方式，對于輸出電壓和頻率變化的情況，很少采用濾波器。

變頻器采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)逆變對于減少低次諧波輸入有較好效果［4-5］，理論計算證明，當(dāng)調(diào)制波頻率為ft，載波頻率為fc(fc?ft)時，輸出電壓半周的脈沖數(shù)為p=fc/(2ft)，SPWM波形中(2p-1)次以下諧波均能被消除或抑制，提高開關(guān)器件的開關(guān)頻率可有效降低諧波電壓總畸變率。

在頻率均為50 Hz的情況下，變頻器供電電動機(jī)與工頻電源(正弦波)供電情況相比，由于高次諧波的影響，電動機(jī)的功率因數(shù)和效率都降低，電流增大，電動機(jī)產(chǎn)生的損耗增加［6］。電機(jī)運(yùn)行頻率超過50 Hz時，集膚效應(yīng)使得轉(zhuǎn)子電阻顯著增加，引起轉(zhuǎn)子發(fā)熱增加［7］。當(dāng)變頻器輸出頻率低于50 Hz時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速降低，從而使得基波電流所引起的損耗大幅度減少，但由于高次諧波分量引起的損耗基本上與空載時相同，所以負(fù)載越輕，高次諧波引起的損耗比重就越大，效率、功率因數(shù)等特性將惡化，頻率的下降使得轉(zhuǎn)速變慢，令電動機(jī)冷卻效果明顯變差，電動機(jī)的溫升增加。

針對變頻器供電電動機(jī)運(yùn)行中溫升高的情況，實(shí)際工程中可采取以下措施加以改善［6-7，8］:

(1)對于同一負(fù)載，當(dāng)電動機(jī)用變頻器供電時，電動機(jī)容量應(yīng)該比用標(biāo)準(zhǔn)工頻電源供電時的大;

(2)如果電動機(jī)采用變頻器在與標(biāo)準(zhǔn)工頻電源相同的電壓、頻率、轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行，由于高次諧波電流的影響而使溫度增高，若增高的部分在該電動機(jī)的熱余量之內(nèi)，則電動機(jī)可在額定功率下使用;若超過電動機(jī)的熱余量，則必須減小工作電流;

(3)對于在低頻區(qū)也需要恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)的負(fù)載，電動機(jī)的溫升會顯著增高，此時可采用強(qiáng)迫冷卻(如用大風(fēng)扇吹)的措施來降溫，或增大電動機(jī)和變頻器的容量;

(4)采用短距繞組、分布繞組、斜槽等辦法也可改善高次諧波對電機(jī)發(fā)熱的影響;為減小集膚效應(yīng)對電機(jī)發(fā)熱的影響，中型電機(jī)常采用繞組編制換位、圈式線圈端部扭轉(zhuǎn)換位等方法。

3 電壓尖峰問題及其應(yīng)對措施

3.1 電壓尖峰問題分析

電壓源形變頻器逆變側(cè)一般采用脈寬調(diào)制(PWM)控制，開關(guān)元器件高速導(dǎo)通和關(guān)斷，變頻器輸出的電壓波形為幅值固定、寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖電壓。矩形波脈沖電壓通過電纜傳輸后易在電動機(jī)端產(chǎn)生電壓尖峰。

電壓尖峰現(xiàn)象可通過輸出電壓的高頻諧波在傳輸線上的行波理論作解釋，由于變頻器輸出的電壓是具有極快上升沿和下降沿的方波脈沖，當(dāng)通過連接電纜(或電線)把能量傳輸給電動機(jī)時，在電纜兩端產(chǎn)生波的反射和折射，其反射(或折射)的程度取決于變頻器、電纜和電動機(jī)的波阻抗。電動機(jī)的波阻抗遠(yuǎn)大于電纜的波阻抗，電纜末端(即電動機(jī)端)產(chǎn)生接近2倍的尖峰過電壓，并發(fā)生高頻振蕩。尖峰過電壓易引起變頻牽引電機(jī)內(nèi)部局部放電［9-10］。隨開關(guān)頻率升高、電壓上升時間的縮短、局部放電次數(shù)增加且放電行為加劇，導(dǎo)致電動機(jī)繞組絕緣的老化更為嚴(yán)重，縮短電機(jī)的使用壽命，甚至在薄弱環(huán)節(jié)擊穿，損壞電機(jī)。

3.2 電壓尖峰現(xiàn)象仿真結(jié)果

PWM逆變輸出電壓經(jīng)電纜傳輸產(chǎn)生電壓尖峰的現(xiàn)象，可通過PSCAD/EMTDC軟件仿真更直觀地表示，仿真示意圖如圖4所示，觀察電纜始、末端電壓情況。仿真計算假定直流側(cè)電壓為理想無波動直流電源930 V，電纜長度100 m，變頻器采用6脈波PWM控制，仿真計算結(jié)果如圖5～7所示。仿真計算結(jié)果表明變頻器輸出電壓最高不超過1 000 V，電纜末端尖峰電壓接近2 000 V。電纜始、末端電壓信號的幅頻特性比較如圖8所示，可見末端電壓高頻分量較始端電壓高。

圖4 仿真建模示意圖

圖5 變頻器輸出電壓Uab

圖6 電纜末端電壓Uab

圖7 兩個電壓波形比較

圖8 兩個電壓頻譜比較

電壓尖峰產(chǎn)生的過電壓極易引起電機(jī)繞組絕緣損壞，繞組絕緣的電介質(zhì)應(yīng)力由電動機(jī)端電壓峰值、上升時間，以及變頻器產(chǎn)生的脈沖頻率來確定。短上升時間的脈沖導(dǎo)致電壓在整個線圈繞組中分布不均衡，在相繞組最初幾匝的線端呈現(xiàn)出高強(qiáng)度應(yīng)力［11-12］。圖9給出了在一個50匝線圈上的電壓分布與脈沖上升時間的關(guān)系曲線，可以說上升時間越短，線圈第一匝上的電壓就越大，該處絕緣往往成為薄弱環(huán)節(jié)，先行擊穿。該情況下，介質(zhì)擊穿易在機(jī)端電壓低于局部放電起始電壓(PDIV)強(qiáng)度時出現(xiàn)。普通電機(jī)出廠時一般只進(jìn)行工頻耐壓試驗，這種類型的絕緣耐受能力無法通過常規(guī)的工頻耐壓試驗得到反映。圖9中:Δv為第一匝上的電壓(輸出電壓的百分?jǐn)?shù))，tr為脈沖上升時間。

3.3 電壓尖峰問題應(yīng)對措施

國內(nèi)、外對于抑制二電平變頻器輸出電壓尖峰問題的研究較多，這里列舉幾種［11］。

圖9 第一匝上的電壓與脈沖上升時間的關(guān)系

(1)利用電動機(jī)/變頻器整體組合的辦法可使裝置降低電壓尖峰。但對于變頻改造的工程，原先的設(shè)計往往沒考慮足夠場地，因此很難實(shí)現(xiàn)。

(2)考慮將變頻器輸出電纜更換為參數(shù)更為理想的變頻電動機(jī)專用電纜，選用具有較高電介質(zhì)損耗的電纜(如丁基橡膠或油紙)，可以減小電壓振蕩，抑制電機(jī)側(cè)的過電壓水平，并能提高電磁兼容的質(zhì)量。

(3)安裝輸出電抗器與電纜的電容結(jié)合可增加行波的上升時間。理論上可降低變頻器輸出du/dt和電壓峰值，但若參數(shù)不恰當(dāng)會延長尖峰持續(xù)時間，尤其是使用鐵心電抗器時，因此應(yīng)用中須相當(dāng)謹(jǐn)慎。

(4)在電動機(jī)端子上安裝一個電動機(jī)終端部件抑制電動機(jī)端子上的過電壓。其目的是使電動機(jī)阻抗與電纜阻抗相匹配，因此可防止電動機(jī)電壓反射。

(5)在變頻器和連接電動機(jī)的電纜之間安裝一個輸出du/dt濾波器，會顯著延長脈沖的上升時間。

(6)降低變頻器的電壓階躍，如采用三電平結(jié)構(gòu)。

在變頻器和連接電動機(jī)的電纜之間安裝一個輸出du/dt濾波器是一個簡單、經(jīng)濟(jì)的方法，而且也能取得一定的效果。采用多電平結(jié)構(gòu)降低變頻器的電壓階躍是一個非常有效的辦法，尤其是三電平結(jié)構(gòu)，可在費(fèi)用增加不多的情況下，消除電壓尖峰的威脅。

變頻器輸出PWM脈沖電壓波形經(jīng)電纜傳輸，在電動機(jī)端產(chǎn)生電壓尖峰，使得電動機(jī)絕緣反復(fù)接受過電壓考驗。電動機(jī)由變頻器供電時，其絕緣的耐壓強(qiáng)度與脈沖電壓頻率、電壓上升速度及熱應(yīng)力有關(guān)，其絕緣結(jié)構(gòu)所耐受的介電應(yīng)力應(yīng)高于單純交流正弦波電源供電時承受的介電應(yīng)力，否則容易導(dǎo)致電機(jī)絕緣過早損壞。因此，即使已采取上述措施，電動機(jī)采用加強(qiáng)的絕緣結(jié)構(gòu)仍很有必要。

3.4 現(xiàn)場測試

某電廠4#機(jī)組凝泵甲、乙電動機(jī)為二電平變頻控制，變頻器系統(tǒng)接線簡圖如圖10所示。由于電壓尖峰問題多次造成電動機(jī)損壞，該變頻器輸出端加裝了du/dt濾波器。分析不同工況下變頻器輸出端電壓，進(jìn)行濾波前、后輸出電壓波形比較，可以較直觀地說明濾波效果，測試期間相關(guān)工況如表1所示。

圖10 鎮(zhèn)海電廠凝泵變頻器系統(tǒng)接線圖

表1 電廠變頻器輸出電壓測試工況記錄

3.4.1 未裝濾波器時輸出端電壓諧波測試數(shù)據(jù)

變頻器輸出側(cè)電壓波形及其幅頻特性如圖11～14所示。輸出側(cè)電壓波形為PWM波形，開關(guān)頻率約為2.5～3.5 kHz。輸出電壓波形中電壓尖峰現(xiàn)象明顯，從幅頻分析結(jié)果來看:1.5 kHz以上的高頻分量明顯存在，且低負(fù)荷工況下高頻分量明顯較高。這一點(diǎn)很好理解，變頻器元器件高速開通和關(guān)斷產(chǎn)生大量高頻分量，低負(fù)荷時元器件開關(guān)頻度較高，無論是電壓尖峰還是高頻諧波問題都比較突出。

圖11 工況一時輸出電壓波形圖

圖12 工況一時輸出電壓波形幅頻特性

圖13 工況二時輸出電壓波形圖

圖14 工況二時輸出電壓波形幅頻特性

3.4.2 加裝濾波器后輸出端電壓測試結(jié)果

工況一時，變頻器輸出電壓濾波后波形如圖15所示，比較圖15和圖11，顯然電壓峰值有明顯的下降。

工況二時，變頻器加裝濾波器后輸出電壓與電動機(jī)端電壓波形測試結(jié)果如圖16所示，圖中圈出部分放大如圖17所示，從圖中可見電動機(jī)端電壓仍會出現(xiàn)電壓尖峰現(xiàn)象，峰值達(dá)到780 V，超過變頻器輸出電壓約40%。

圖15 工況一時，輸出電壓濾波后波形圖

圖16 變頻器輸出端以及電動機(jī)端波形比較

圖17 圖16圈出部分放大

4 結(jié)語

正弦工頻電壓供電與PWM變頻供電，電動機(jī)的電氣環(huán)境差別相當(dāng)大，變頻器供電電壓除工頻分量外，還存在高次諧波電壓，造成電動機(jī)損耗和溫升增加;PWM逆變使得變頻器輸出電壓上升速度非常高，且電壓重復(fù)頻度高，PWM變頻供電電壓重復(fù)次數(shù)是正弦工頻供電(50次/s)的幾十倍甚至上百倍。因此，變頻供電電動機(jī)繞組匝間承受電壓可達(dá)到工頻情況下的幾十倍，第一繞組承受電壓短時達(dá)到上百倍。

為防止變頻供電的電動機(jī)運(yùn)行過程溫升過高，需采取強(qiáng)迫冷卻的措施，必要時電動機(jī)應(yīng)降額使用。

變頻器輸出端加裝濾波器可有效緩解電壓尖峰問題，但仍有部分存在電壓尖峰現(xiàn)象，電動機(jī)難免承受重復(fù)性的電壓脈沖沖擊，加速絕緣的老化，縮短電機(jī)的使用壽命;且脈沖頻率越高，幅值越大，則電機(jī)絕緣壽命越短。因此，PWM變頻器供電的電動機(jī)采用增強(qiáng)型絕緣系統(tǒng)的變頻電機(jī)，有助于提高設(shè)備運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

［1］任悅.中國變頻器市場及應(yīng)用淺析［J］.電氣傳動，2004(6):73.

［2］于慶廣，閔勇，朱洪波，等.高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其在火力發(fā)電廠的應(yīng)用［J］.電力電子，2001:44-47.

［3］徐甫榮.中高壓變頻器分類和比較［J］.電工技術(shù)，2004(9):1-4.

［4］劉磊，翟慶志.PWM型變頻控制的諧波抑制綜合方法［J］.電氣應(yīng)用，2005，24(1):78-81.

［5］佟為明，李可敬，翟國富，等.SPWM電壓源逆變器變壓變頻過程的諧波分析［J］.電力電子技術(shù)，1995(3):47-51.

［6］王耀榮，何志偉，胡少強(qiáng).用變頻器供電時高次諧波對普通型電動機(jī)溫升的影響淺析［J］.電機(jī)電器技術(shù)，2000(4):13-15.

［7］和小林.淺談高次諧波和集膚效應(yīng)對變頻電機(jī)發(fā)熱的影響［J］.電機(jī)技術(shù)，2003(3):14-16.

［8］彭增良.變頻器應(yīng)用中值得重視的若干問題［J］.電氣時代，2004(2):62-64.

［9］何恩廣，周升，劉學(xué)忠，等.PWM變頻電機(jī)絕緣技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.絕緣材料，2002(4):18-25.

［10］佟來生，吳廣寧，溫鳳香.變頻牽引電機(jī)端子過電壓產(chǎn)生原理及影響因素［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2005，40(5):673-676.

［11］IEC 60034-25—2007，Rotating electrical machines-Part 25:Guidance for the design and performance of AC motors specifically designed for converter supply［S］.2007.

［12］何恩廣，吳廣寧.脈沖電壓在JD 116型變頻牽引電機(jī)繞組中分布的仿真研究［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2005，28(2):8-12.