变频器对电机与电网的影响

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，轴电流最后返回到变频器的中性点。图1中:图1共模回路与轴承电压b代表轴承;iedm静电放电加工电流;c代表电缆;l0漏抗;csr定子与转子间电容;rb轴承电阻;cb轴承电容;r0绕组电阻;csf机座电容;usng定子中性点对地电压;crf转子机架电容;ubrg轴承电压;ib轴承电流;ucm共模电压。5.2降低轴承电流的原理从图1中可以看出，共模电压ucm源自变频器，为了降低轴承电流ib，原理上可以降低ucm，加大电缆的分布电容、csf和crf以及加大电缆的阻抗、电机的ro、lo和轴承的电阻rbcsr，但在实际措施上有些参数是不易或不合适改变的，且因电机的大小不同，是否需要采取措施或采取何种措施均有所不同。5.3具体措施[1]、[2]在合适的装置系统的基础上，有下列经验:(1)电动机轴高为280mm及以下时，很少发生因变频运行而使轴承失效的，但变频器的开关频率大于10khz(这种情况不多)和输出电压大于400v时，要考虑给电机的一个轴承加以绝缘。(2)电机轴高为315mm及以下时，建议对轴承加以绝缘，很少需要对电机的两个轴承都加绝缘，如果还不满足要求，则强烈建议对整个驱动系统进行分析并且宜包括被驱动机械(对于轴耦合器加以绝缘)和接地系统(可能需要接地电刷)。(3)电机轴高为315mm及以上时，对其轴承加以绝缘不可能或不希望时，建议采取下列措施之一:降低变频器输出电压的dv/dt,即陡度，或加装滤波器以降低零序即其模电压。之所以需要有合适的装置系统(布线、接地、等位联接)作基础，是要尽一切可能使进入到电机的共模电流为最小，为此，也为了满足emc(电磁兼容)要求，宜使用多芯屏蔽电缆，屏蔽层宜为铜或铝质，并于其两端按高频要求接到pe线上，即一端接变频器，另一端接电动机。其它要求如对接地、等位联接、对测速发电机和脉冲编码器的连接电缆及布线，iec标准都有建议，详见文献[1]、[2]。6对电动机的其它不良影响其它不良影响如磁力引起的噪音，对工业环境一般不会成为问题，至于振荡转矩，由于变频器一般都采用spwm，即正弦波脉宽调制，也都不会成为问题。此外，还有一种说法认为变频器的高频输出电流，会使变频器的输出电流整体上有所增加，美国杂志上也曾有文[3]阐述此事，特别是功率20hp以下电机和长支线电缆时。但国内运行实践未见有此报导，iec的各种标准对此也未提及。7变频器输出电抗器及滤波器的特点及其应用(参见图2)[2]在某些场合，例如为了降低输出的高频电压强度或改善电磁兼容性能，采用电抗器或输出滤波器可能是需要的，由于在其两端要产生电压降，因而对电动机的性能有某些影响。7.1输出电抗器特殊设计用以降低输出电压峰值及dv/dt，但要注意，特别是带铁心的，当设计不当时，可能延长电压过冲(overshoot)的持续时间。使用电抗器以后可以增加峰值上升时间约5μs，而将峰值电压降至792v，通常该电抗器由变频器成套供应并装在变频器柜中。这种电抗器还能减少电缆的电容充电电流，而在较大功率时，可使电缆长度达到几百米而不致危及电机绝缘。7.2限压滤波器(dv/dt滤波器)它除了电抗器之外，还包含有电容器或阻容吸收整流桥，可明显的降低峰值电压和增加峰值上升时间(减少dv/dt值)。例如峰值可降至684v，dv/dt为40v/μs，但对电机约损失电压0.5~1.0%，因而会减少启动转矩和最大转矩。这种滤波器主要用在电机绝缘水平相对比较弱的场合。7.3正弦波滤波器特殊设计的一种低通滤波器，以滤除高频电流使输出成为正弦波电压，通常有下列两种类型:(1)输出相电压和线电压都是正弦波;(2)输出线电压为正弦波。这种滤波器比较贵，而且有缺点，即损失电机电压10%，故也不宜用于要求高动态性能的场合，它主要用于一些特殊场合。7.4电动机机端单元(与电机一体的单元)它安装在电机近旁并连接在电机端子上，其目的是使电机阻抗与电缆阻抗匹配以防止电机反射电压而使电压升高(在匹配最不利情况，电压可升高一倍)，例如峰值电压现只有800v，但它也要增加损耗约0.5~1.0%。上述四种措施的特性如图2所示[2]。图2a输出电抗器(3%)图2b输出dv/dt滤波器图2c正弦波滤波器图2d电机机端单元图2四种措施的特性举例8变频专用电机的问题[2]8.1产品标准目前有的只是《iects60034—25:2007第2版旋转电机第25部分专为变流器馈电的交流电动机的设计指南和性能》。要注意，它不是标准只是一本“技术规范(ts)”，因为(iec规定):(1)虽经过不断努力，尚得不到足够的支持来出版国际标准;(2)有关技术仍在发展中，或者由于其他任何原因，目前尚不可能在国际标准上取得一致，有待将来解决。从名称和内容上来看，它确只是这类电机的设计指南，并对电机的性能作了一些规定，据悉，国内已准备将其转化为国家标准gb/z一类，并有待国家主管机关批准。8.2变频专用电机的选择变频专用电机的工作性能和运行数据受整体驱动系统的影响，这包括供电电源系统、变流器、布线、电动机、机械轴连接和控制设备，其中受变流器的影响最大。如果电动机和变流器由一个制造公司生产供货，用户只要遵循生产厂家的产品说明书的要求即可，这相对比较简单。如果变频专用电机厂和变流器厂不是一个企业，像国内大多数厂家都是这样，此时，选用变频专用电机时要仔细阅读电机的说明书，明确该电机在设计中已考虑了哪些问题并且不需要用户另外再采取措施。9变频器输入前端接线方案的选择9.1通常用二极管整流桥[4]这种方案是简单，价格相对最低，但它只能用于没有能量反馈的场合，另一个缺点是产生的谐波电流很大，因而在电压源型变频器之前一定要接入输入电抗器，相对电抗值为4%左右，即使增设了此电抗器，谐波电流仍然较大，当变频器用电量占有相当的比例时，就要考虑采用滤波器来治理谐波了，通常考虑为价格较低的无源滤波器，当无源滤波器在技术上不能满足要求时，可考虑采用有源滤波器，不管采用哪一种滤波器，都要另增加投资，多占用建筑的空间，增加维护工作量。9.2采用洁净的变频器市面上早已出现变频器的输入前端采用pwm方案，即所谓双pwm变频器，不但低频谐波没有，而且功率因数可调为1，但价格高，如果驱动装置需要能量反馈，则这种有源前端的变频器可以作为优先方案加以考虑和比较，特别是单台功率很大或较大而且是动态负载即负载瞬间变动，采用此方案即使在经济上也有竞争力。采用其它有源前端方案虽也能解决能量反馈问题，却不可避免的为功率因数低和谐波问题而另外增设补偿装置，这无论在经济上或技术上都难有什么优势可言了！10工厂(非公用)电网适用什么谐波标准工厂(非公用)电网就是企业或实业独用或几家共用的，电力部门不对其管理、维护的电网，其电压可以高至110kv。非公用电网是常有的情况，但适用什么标准并不是众所周知和都很明确的。10.1gb/t14549-93电能质量公用电网谐波很清楚，它适用于公用电网，基本上不适用于非公用电网，这是因为谐波标准主要是谐波电压的含量要受到约束，企业或实业的用电负荷性质多种多样，可以有另外的谐波电压限制值，相当一部分比公用电网的要求要宽松，特殊的企业或实业则要求更严格，所以iec为此另外颁布了标准，详见下面10.2节。但是gb/t14549也不是对非公用电网的谐波状态放任不管,它要限制非公用电网或单元负荷向公用电网输送的谐波电流的大小,这是使公用网谐波电压不超标的基础。该gb