田紅彬 熊新國(guó)

1，鄭州輕工業(yè)學(xué)院,河南 鄭州 450052; 2 ，河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 450000

變頻器對(duì)普通電動(dòng)機(jī)的影響及抑制措施

田紅彬1,2熊新國(guó)2

1，鄭州輕工業(yè)學(xué)院,河南 鄭州 450052; 2 ，河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 450000

自從上個(gè)世紀(jì)80年代, 變頻器就被廣泛應(yīng)用于改善交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能。但是在使用過程中由于變頻過程中高次諧波的出現(xiàn), 會(huì)對(duì)普通電動(dòng)機(jī)絕緣造成一定的危害。本文從變頻器對(duì)普通電動(dòng)機(jī)絕緣的危害入手,分析產(chǎn)生危害的原因及預(yù)防措施,為設(shè)備改造提供參考。

變頻器；電動(dòng)機(jī)；絕緣

transducer; motor; insulation

引言

近年來，隨著大功率電力晶體管和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，通用變頻器被廣泛應(yīng)用于三相交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、節(jié)能改造、改善生產(chǎn)工藝等。人們常把變電壓變頻率的電源裝置( Variable Voltage Variable Frequency,簡(jiǎn)稱VVVF 裝置) 與交流電動(dòng)機(jī)組合成為變速電動(dòng)機(jī)。近幾年, 許多企業(yè)把VVVF 變頻裝置附設(shè)在普通電動(dòng)機(jī)上運(yùn)行, 使現(xiàn)有的恒速交流電動(dòng)機(jī)變成可調(diào)速的變速電動(dòng)機(jī)運(yùn)行, 特別是用于一半以上的泵類、風(fēng)機(jī)類負(fù)載, 如用改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法調(diào)節(jié)流量或風(fēng)量,在壓力保持不變的情況下, 可以降低與轉(zhuǎn)速n 成立方關(guān)系的電動(dòng)機(jī)輸入功率P1( P1∝ n3), 有時(shí)可高達(dá)30% ～500%, 從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能規(guī)劃。

但是, 按照上述措施將一般交流電動(dòng)機(jī)裝上各種變頻器進(jìn)行調(diào)速時(shí), 電動(dòng)機(jī)在非正弦波電源作用下,從低頻到高頻范圍內(nèi)運(yùn)行,會(huì)產(chǎn)生各種困難和問題。比如, 逆變器的換流脈沖電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組絕緣結(jié)構(gòu)的沖擊,逆變器所產(chǎn)生的高次諧波會(huì)使電動(dòng)機(jī)的溫度升高; 由于轉(zhuǎn)速向下調(diào)時(shí), 低轉(zhuǎn)速又會(huì)使電動(dòng)機(jī)冷卻變壞; 又由于逆變器的高次諧波電流所產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩與機(jī)械系統(tǒng)固有振動(dòng)頻率特性而產(chǎn)生轉(zhuǎn)軸共振等問題。這些問題的存在,會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的對(duì)地絕緣形成威脅, 加速電動(dòng)機(jī)對(duì)地絕緣的老化。

1 變頻電源對(duì)普通電動(dòng)機(jī)絕緣危害的原因

隨著電動(dòng)機(jī)絕緣材料的不斷進(jìn)步, 目前生產(chǎn)的電動(dòng)機(jī)不論是高壓電動(dòng)機(jī)還是低壓電動(dòng)機(jī), 絕緣水平都是相當(dāng)高的。但是, 現(xiàn)用的電動(dòng)機(jī)大都是老系列產(chǎn)品,絕緣水平很差,當(dāng)把這些電動(dòng)機(jī)改用逆變器控制做變速電動(dòng)機(jī)使用時(shí),在絕緣可靠性方面就會(huì)產(chǎn)生問題。

1.1 脈沖電壓對(duì)繞組絕緣的危害

在各種VVVF 方式的輸出電壓波形中,屬于電壓型逆變器的換流脈沖前沿陡度大而脈沖幅度小;但電流型逆變器則相反, 脈沖的前沿陡度小而脈沖幅度大, 逆變器對(duì)電動(dòng)機(jī)供電時(shí), 輸出電壓波的峰值都是超過基波的電壓數(shù)倍。具有急陡前沿脈沖的電壓波施加在交流電動(dòng)機(jī)繞組上時(shí), 其電壓分布與施加普通工頻電壓不同, 這時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組的各個(gè)線圈上所分布的電壓是不均勻的, 越是靠近電源側(cè)的線圈,其所分布的電壓值越高。脈沖電壓在繞組內(nèi)電壓分布大體上按下式計(jì)算:

式中 Vab -施加在ab 線段上的電壓(V) ;

Vs-脈沖波的高峰值(V) ;

lab - ab 段的全長(zhǎng)( cm) ;

Vm-脈沖電壓的平均傳遞速度

( cm/ s) ;

tf-施加脈沖波的波頭長(zhǎng)(μ s) 。

下圖1是施加在低壓電動(dòng)機(jī)的電壓型逆變器的電壓輸出波形, 以及繞組電壓分布情況。從圖1可以看出,越靠近電源的施加電壓端的線圈,其電壓分布越高。正是因?yàn)檫@個(gè)原因,電動(dòng)機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行中,某線圈的匝間將要承受很高的匝間電壓, 使匝間絕緣耐電壓水平產(chǎn)生問題。

圖1 電壓型逆變器的電壓輸出波形及其繞組分布

另外, 由于繞組內(nèi)電壓分布還根據(jù)輸入的脈沖電壓波陡度和繞組接線方式以及絕緣方式不同而不同, 所以必須掌握電動(dòng)機(jī)繞組的實(shí)際情況。采用逆變器作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行供電電源時(shí),換流脈沖會(huì)經(jīng)常形成重疊的波形,所以,根據(jù)VVVF方式和頻率所確定的具有恒定的反復(fù)周期性的換流脈沖電壓會(huì)施加在電動(dòng)機(jī)繞組上。過高的脈沖電壓施加在繞組上時(shí), 則會(huì)造成以下后果:

(1) 由于目前中小型容量變頻器, 大多數(shù)采用SPWM 的控制方式。它的載波頻率約為幾kHz 到十幾kHz, 這就使電動(dòng)機(jī)線圈需要承受很高的電壓上升率。另外, 由PWM 變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電壓上, 會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的對(duì)地絕緣形成威脅并加速其老化。

(2) 出現(xiàn)浪涌電壓和電暈現(xiàn)象, 損害電動(dòng)機(jī)絕緣。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí), 外加電壓經(jīng)常與變頻裝置中元器件換流時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流相疊加, 有時(shí)浪涌電壓較高, 致使線圈受到反復(fù)電沖擊, 絕緣加速老化。此外, 有時(shí)浪涌電壓引起電暈放電, 致使線圈對(duì)地絕緣損壞。

1.2 諧波引起電動(dòng)機(jī)的溫度升高

在逆變器電路變流過程中, 其輸出電壓或電流為階梯波, 因此含有豐富的諧波, 致使異步電動(dòng)機(jī)在非正弦電壓電流下運(yùn)行。以當(dāng)前比較普遍使用的正弦波PWM 變頻器為例, 其低次諧波基波基本上為零, 剩下的是比載波頻率( 晶體管開關(guān)頻率) 大一倍左右的高次諧波分量。高次諧波會(huì)引起定子銅耗、轉(zhuǎn)子鋁耗、鐵耗及附加損耗的增加, 最為顯著的是轉(zhuǎn)子鋁耗。如將普通異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于變頻器輸出的非正弦電源條件下, 在同樣的輸出和相同的散熱條件下, 要比工頻時(shí)溫升約增加10%～20% 。

1.3 低速時(shí)的冷卻效果差

在電源頻率較低時(shí), 因普通異步電動(dòng)機(jī)的阻抗不盡理想, 使電源中高次諧波所引起的損耗增大。再者, 自冷式普通異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速降低時(shí), 冷卻風(fēng)量將與轉(zhuǎn)速成正比例地減小, 這必將使電動(dòng)機(jī)的低速溫升急劇增加。據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)證明,對(duì)中小型容量的自冷式電動(dòng)機(jī), 其定子繞組溫度上升9.6%～24.1%。

以上這些原因都能使繞組絕緣受到危害。因此, 采用逆變器做電源的電動(dòng)機(jī), 對(duì)于以上原因引起絕緣老化的問題, 在改造設(shè)備之前應(yīng)充分考慮到。

2 如何解決變頻電源對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組絕緣的危害

通常電動(dòng)機(jī)實(shí)際的繞組絕緣耐電壓水平是針對(duì)正常運(yùn)行電壓而言的, 而在變頻電源作用下, 線圈匝間絕緣承受的電壓要比正常高出數(shù)十倍, 所以在規(guī)劃之前, 有必要特別考慮絕緣協(xié)調(diào)問題。協(xié)調(diào)的目的是: 不因反復(fù)施加脈沖電壓而引起絕緣老化, 不使繞組產(chǎn)生有害的電暈電壓。對(duì)于新購(gòu)的變速交流電動(dòng)機(jī), 因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)考慮到絕緣協(xié)調(diào)的問題, 所以不存在絕緣協(xié)調(diào)問題。但是,作為調(diào)速對(duì)象的現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)來說, 由于設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮絕緣承受脈沖電壓和變速運(yùn)行,所以必須考慮絕緣協(xié)調(diào)問題。

2.1 對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣性能進(jìn)行診斷。

2.1.1 絕緣性能的診斷有各種絕緣試驗(yàn)方法, 主要有下列幾種:

(1) 絕緣電阻的測(cè)試;

(2) 介質(zhì)損耗角正切的測(cè)試;

(3) 局部放電試驗(yàn);

(4) 交流電流試驗(yàn)。

根據(jù)其中某一種試驗(yàn)方法來判斷絕緣劣化是困難的, 一般情況要對(duì)全部項(xiàng)目試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行綜合分析評(píng)定。再者, 作為被評(píng)定的電動(dòng)機(jī)用低電壓和高電壓的試驗(yàn)項(xiàng)目也不同, 所以按試驗(yàn)的目的, 能夠適當(dāng)綜合進(jìn)行判斷。作為劣化判斷基準(zhǔn)也沒有絕對(duì)數(shù)量值, 個(gè)別情況下是按具體情況規(guī)定的。另外, 還要知道電動(dòng)機(jī)是如何運(yùn)行的以及運(yùn)行的歷史情況,要掌握絕緣特性隨時(shí)間變化的情況, 這些對(duì)于判斷絕緣劣化是有幫助的。通過上述實(shí)驗(yàn)分析, 對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的絕緣性能作出綜合評(píng)定。

2.1.2 對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)改用變頻電源時(shí),必須采取以下措施:

2.1.2.1 解決換流脈沖及高次諧波對(duì)絕緣危害的措施

2.1.2.2 調(diào)查現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的制造年份、絕緣方式, 判斷出匝間和對(duì)地絕緣對(duì)脈沖電壓的承受能力;

2.1.2.3 選擇換流脈沖較小的電壓型多疊換流方式;

2.1.2.4 裝設(shè)阻容吸收裝置。在逆變器輸出和電動(dòng)機(jī)輸入之間裝設(shè)阻容吸收裝置,使換流脈沖波形的波頭鈍化, 使波幅值得到改善, 從而吸收成抑制浪涌電壓;

2.1.2.5 串入交流電抗器。在逆變器輸出和電動(dòng)機(jī)輸入之間的線路上串入交流電抗器, 可抑制高次諧波。

2.2 解決溫升冷卻方式

如前所述, 為了減小損耗、降低溫升,對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)改用變頻電源時(shí), 應(yīng)采取有效措施, 使其在相同容量、相同轉(zhuǎn)速下?lián)p耗和溫升不致過高。但由于變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度范圍很廣, 高低速度變化很大, 而風(fēng)扇風(fēng)量Q 與轉(zhuǎn)速n 有如下關(guān)系:

式中 R 風(fēng)路的風(fēng)阻。

可見低速時(shí)電動(dòng)機(jī)通風(fēng)量將隨轉(zhuǎn)速成比例減小, 也就是說, 電動(dòng)機(jī)的冷卻能力與轉(zhuǎn)速有關(guān)。而全封閉的外扇形電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與冷卻系數(shù)c 有如下關(guān)系:

式中 CN額定轉(zhuǎn)速nN 時(shí)的冷卻系數(shù);

α計(jì)算系數(shù), 約為0.5～0.65。

因此, 為了防止變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)冷卻能力的下降, 在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí), 應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的冷卻方式進(jìn)行改造, 安裝簡(jiǎn)易、冷卻效果好的全封閉外扇形式進(jìn)行冷卻, 以確保電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

總之, 變頻電源對(duì)普通電動(dòng)機(jī)線圈絕緣的影響,不是簡(jiǎn)單一方面的問題, 需對(duì)上述各方面綜合考慮。所以對(duì)現(xiàn)用電動(dòng)機(jī)采取變速控制時(shí), 必須調(diào)查電動(dòng)機(jī)制造年份、絕緣特性,然后按此選用合適的VVVF控制方式。根據(jù)具體情況采取阻容吸收裝置、電抗器抑制及改善冷卻方式等必要措施。

[1]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990

[2]黃俊.半導(dǎo)體變流技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，198 6

[3]吳忠智.變頻器應(yīng)用手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995

[4] A．E．Fitzgerald,Charles Kingsley,JrStephen D.U m a n s著;劉新正,蘇少平,高琳等譯.電機(jī)學(xué)(第六版).北京：電子工業(yè)出版社，2004

Harm to the of Common Motors by Transducer and the Protection

TIAN Hong bin21, XIONG Xin guo2
1.Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450052, China;2.Henan Vocational and Technical College, Zhengzhou 450000, China;

In recent years, power source of converted frequency has been widely used with motors to improve the capabilityof the original motors.But in reality, the insulation of commonmotors will be harmed to some degree because of the appli??cat ion of high harmonic frequency in the power source of converted frequency.This article makes analysis on the harmedinsulat ion of motors by the power sourer source of converted frequency to find out the reason and counter measures so thatopinions be raised to improve the equipments.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.074

田紅彬(1976-)，男，河南鄭州人，鄭州

輕工業(yè)學(xué)院電氣工程專業(yè)工程碩士，河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要研究方向電氣自動(dòng)化控制技術(shù)。

熊新國(guó)(1975-)，男，湖北荊州人，河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要研究方向電氣自動(dòng)化控制技術(shù)。