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41 对6000马力感应电动机和传动装置应用于高速压缩机时产生的谐波转矩之探 对马?感应电动机和传动装置应用于高速压缩机时产生的谐波转矩之探讨威廉姆?洛克利等著曹秀萍译提周维良校要本文讨论了调频感应电动机传动装置中的扭转谐波之产生原因及其影响；陈述了一些用于减少潜在有害影响的电气和机械方法及预测扭转谐波标准的方法、扭转谐波的测?方法；本文还对使用脉宽调制电流源逆变器（）感应电动机传动装置的专用马?离心式压缩机用途的测?谐波水平与预计谐波水平进?了比较。 引言壳牌汉堡天然气工厂座?在艾伯塔西?部一个偏远的地方，从最近的镇上到工厂有段多公?长的石子?，或者乘飞机可到达邻接工厂的一段狭长石子地带。 影响设备主要部件选择的重要因素是效率、可靠性和灵活性。 该项工程上的传动机组被用于进气压缩。 它由一台以输出运?的调频传动装置、一台四极、马?电动机、一个齿轮箱以及一台最大转速为的离心式压缩机构成。 电动机与齿轮箱的联轴器是一个“无阻尼的圆盘组件，它采用一个键固定在电动机柱形轴上。 随着油田压?条件的变化，压缩机转速将被调节以使流?达到最大值。 同时将用拥有?同惯?的三个?同压缩机转子结构而通过使用寿命、?同的压?流速和天然气成份来优化系统性能。 调频传动装置通过个由电厂供电的屏蔽变压器以供电这是一个有六个脉冲输入与输出的电流源系统。 输出用脉冲宽度调制和滤波来减小对电动机的谐波。 电动机可以直接亍电厂的旁?方式起动和操作，如果需要，可用一个降压式自耦变压器起动器。 提供了往来于旁?方式的在线传输。 在设计阶段初期，就认识到压缩机机组可能有许多扭转谐振，它们是由在传动装置电动机组合的加速和运作范围内之频率的谐波电流产生的转矩所激励。 随后出现的问题是一个确切地预示这些转矩及其频率和尽可能减小对系统中转动部件影响的闻一题。 技术背景、电气考虑一个电流源或电压源逆变器的输出在电压和电流示波图上有一个很重要的畸变。 对于具有平衡输出的六脉冲逆变器，出现的谐波一般是第 五、第 七、第 十一、第十 三、第十七，等等，其幅值通常随着谐波次数的增大而减小。 相关水平则依赖于逆变器、输出滤波及其它的类型和结构。 由于在直流电汇流排上的脉动和输出之间的相互影响，也有其它“谐波间”频率的存在。 它们出现的次数是电源和输出频率之间差值的倍数。 谐波间频率的振幅?般地小于那些“正常”输出谐波幅值。 每当电动机电源?是呈纯正弦波时，在某种程度上在所有感应电动机上都会造成谐波转矩。 由于一般电动机的磁化回?和转子回?相对值和阻抗的原因，气隙磁通比较接近正弦波形，而定子电流经常有具有逆变器输出频率的第 五、第 七、第十一，等等谐波的有影响水平。 定子中第五谐波电流在转子中感生出电流。 由于第五谐波电流是负序且转子以（一滑差）单位转速向前旋转，由第五谐波定子电流感生的转子中的电流频率是（一滑差）（一滑差）乘以应用频率。 同样，第七谐波定子电流为正序电流并以应用频率的（滑差）倍感应出转子电流。 由于转矩是由磁通?和电流的乘积所引起，因此两股电流与相对正弦的气隙磁通相结合就形成转子上的第六谐波转矩，这个转子以（卜滑差）单位转速向前旋转。 由于在第五与第七谐波间存在相位差，所以转矩?必彼此同相。 以相同的方式，第十一和第十三谐波定子电流结合起来产生一个第十二谐波转矩，而第十七和第十九谐波产生一个第十八谐波转矩，以此类推。 由于转子和电动机轴的惯?、弹簧常数和阻尼，以及被驱动设备的那些参数的原因，就?存在谐渡转矩从气隙到电动机轴的直接传送。 、机械考虑已在其它地方广泛讨论了扭转谐振的机械方面【】。 机械系统被分解成许多由扭转弹簧和阻尼参与的惯?。 发现该系统有许多谐振频率。 其放大系数决定于阻尼大小。 当一个谐振频率与一个激励频率相同时就会出现一个临界频率。 诸如在汉堡的一个机械系统中。 一个详尽的分析表明有许多谐振频率。 其中一些一可以由传动装置电动机的组合产生的谐波转矩所激发。 经这些临界频率加速或以这些频率运?可以对诸如轴、联轴器、以及齿轮等部件产生很大的机械压?。 如果?值足够大的话，那么稳态应?和振荡应?相结合可以很快导致部件开裂，或者经过一个较长的时期，较小的应?也可以导致疲劳断裂。 缓解问题的方法潜在的问题可以用电气的或和械械的方法来避免或缓解，其中许多都有与其相关的额外问题、可以采用的电气方法通过增加传动装置输出脉冲数来减小对电动机的谐波电流，例如，通过由个六脉冲输出增加到一个十二脉冲的输出，使得两个逆变器在其输出相位上有移位这在?论卜消去了第 五、第 七、第 十七、第十九以及?高次的谐波，实际上将它们减少。 这大夫地减少了第六和第十八扭转谐波。 脉冲数越大谐波减得越多。 脉冲数的增多是以增加传动装置中的复杂性为代价的，要外加上一个三绕组输出变压器或台六相电动机。 以汉堡为例，公用设施变压器也可用作隔离变压器，以及要求对电厂运?进?在线往来输电。 这些担心就因一个脉冲系统而增加了系统的复杂性和成本。 人们认为这?是很合?以种脉宽调制方式操纵传动装置输出，来有选择性地减少到电动机的电谐波已经证明，通过正确选择开关点，可以消除逆变器输出波形中的特定谐波。 这是以增加有些高次谐波为代价实现的，这些高次谐波可以容?地被滤除。 由于每半周有三个脉冲，可以消除通常选择成第五的一个谐波。 消除进一步的谐波需要对每个除去的谐波都要有两个额外的脉冲。 谐波滤除的程度由此受到输出频率及为输出设备选择的最大开关速率的限制。 最大开关速率进一步由装置特性和限制开关损耗的需求来决定。 在传动装置的输出上使用一个过滤器而从电动机上转移掉一些谐波一个简单的电容过滤器可以从供给电动机的电源中去掉大多数的较高频率谐波。 正如附录中所示，如果在元件?值的选择上?慎重的话，就会有两种引超问题的谐振。 第一种是在输出电容嚣与定子和转子?联电感之间并联谐振，在这种情况下，频率是。 任何在这个频率下传动装置的谐波电流将被放大并且产生增大的转矩。 因此应避免有在这个频率下的谐波传动装置输出频率，或者应抑制相关的谐波。 第二种谐振是电容器和电动机励磁电感之间的谐振，这种情况下的谐振频率为。 这仅是在运?电动机和电容器被停止供电时才出现的问题在转速下降期间，可能有个过大的电压上升。 这可以通过把传动装置输出接触器置于电容器出口来避免。 如果应用正确，那一么电容输出滤波器可能是个有效的措施。 设计一种电动机，其所具有的电感与电阻可以使它对谐波的敏感性小些。 ?幸的是，这经常使电动机的其它性能变差。 所选取的方法是以脉冲秒最大开关速度进?一个脉冲宽度调制的六脉冲转换器和一一个电容输出滤波器。 这个输出滤波器是一个形相连的电容器组，每个脚的额定值为兆乏，和。 电动机定子与转子的电感分别是和，磁化电感是，如附录所示。 、缓解该问题的机械方法应用减缓扭振的联轴器。 如果选择正确，那么这些联轴器可以减小整个机组中的谐波轴转矩。 一个缺点是它们应用橡胶垫片或其它一些阻尼元件，这些会磨损和需加保养。 在反复启动停机以及运?后，这些垫片会?均匀地受到磨损，就会增加?平衡性、结果会导致过分振动。 再个潜在的问题是它们通常比标准的联轴器重些，这就会降低电动机的第横向临界速度。 设计具有较低应?集中系数的诸如联轴器，键槽等部件。 这就提高了元部件的抗疲劳性。 对于这个系统，研究了一种锥变配合的电动机联轴器来消除键槽周围的应?集中。 使所有的机械元部件都要有应付所预?的应?的足够强度。 这将会使一些元部件，诸如齿轮箱等格外地沉重，从而导致了与其所解决问题一样多的其它问题。 在对该机组作了详尽分析之后（见下），所作的唯一的机械?改是增大电动机键槽的半径来减小在该区域的应?集中。 ?论预测对由电动机传动装置组合所作出的气隙转矩的预测是由作为一个小组一起工作的电动机和传动装置制造厂完成的。 为了估算于由传动装置逆变器产生的电流（它包括谐波电流）的有效气隙转矩，使用了一个电动机模型。 图表示了该所用的电动机模型，它包括了与电动机并联的传动装置的输出滤波电容器。 该电流与是由传动装置逆变器产生的脉冲宽调制的电流。 如图所示，这些电流可再分开分别成为，、。 ，与。 ，。 该模型相对于定子而建立的，磁链是作为状态变?来选择的。 一，图定子机座中的感应电动机与输出电容器的模型从图可推导出电动机气隙转矩，并将其表示为，（）（，。 ）其中为电动机极数；为定子、转子?磁电感总和；，为轴定子磁链，。 为轴转子磁链。 为轴定子电流，为轴转子电流为电动机电感；为?磁电感。 磁链为一。 （）。 ，（）应该意公式为一个估算总气隙转矩的一般表达式，其意义为，由逆变器开关产生的所有谐波都包括在这个式子中。 开发了一个计算机模拟程序来估算气隙转矩以及电动机电压和电流。 具镕模拟在参考文献中给出。 由于已经确定的总气隙转矩导致了制图时的转矩波形，使异了傅罩叶分析来分离分?转矩。 然后将这些合成为其有效的第 六、第十二等组合转矩值。 在该情况下传动装置工作频率为时，表格表示了预测的气隙转矩?一表格【时预测的气隙转矩额定负载转矩安培基本安培基本转矩英尺?磅谐波安培角度转矩谐波角度合成转矩?。 压缩机制造厂对该机组进?了分析，其中一些结果见附录所示分析方法如下）使用从电动机、联轴器、齿轮箱和压缩机制造厂数据导出的惯?、弹簧常?和阻尼系数计算了该系统的扭振固有频率和振型形状。 ）产生了所示的扭振临界转速干扰。 用该图表示出了固有频率（水平线）相交于激振频率（斜线）的重要区域。 ）如果重要区域属于加速或运作范围，那么就在该点上对该情形作了进一一步的研究。 ）应用了预测的气隙谐波转矩作为输入，为了实?加速和运?方式而对机组的轴和联轴器中的应?进?了分析。 表示出了通过两个谐振的电动机输出轴加速中的预示的剪切?在低速时，的电流和转矩被用于转速范围在这种情况下，在加速期间所预示的应?远比发生在正常运作范围的那些?大）分析了压?的影响在使耳稳态和振荡转矩组合影响的疲劳基础预测了所期望的零部件寿命。 分析表明最小安全系数是在加速期间的电动机轴上，在该处键槽剧围的应?集中减小了安全系数于是，增大键槽圆角的半径而提高了安全系数。 测?技术与该工程的成败相关的唯一测?结果就是那些取自该系统的运?结构的测?值然而，在电动机和传动装置用制造厂的测功计试验时作初始测?来改进测?技术。 、所考虑的测?技术一个应变测?仪和无线电遥测系统是最终选定的方法，很大程度上是因为它直接测?轴应?，而且较容?建立。 通过对测功计测?传感器输出的测?来检查遥测系统的计?情况，但由于在轴与测?点之间存在着额外的惯?和阻尼而该测?并?用于测定谐波转矩。 这个方法?适用于现场。 把一个应变测?仪安装在电动机底脚上的方法被认为由于电动机机座的谐振与阻尼币阿能给出错误的读数。 一个使用应变测?仪和一个红外线遥测系统校正过的联轴器需要一?个专用联轴嚣加上对制造厂标准电子仪器的修正，这只要设计成给出稳定态数值就?。 测?在电动机轴每个端部齿轮齿之闻的相对角位移的传感器需耍对电动机轴进?太多的增改考虑了一种使用激光和反射带来测?轴角速度上的变化的方法。 应变测?仪技术?为可取，这是因为它们直接测出应变速丽应?的情况。 一个应变测?仪和滑环技术所起的作用与无线电技术相似，但用起来比较困难，一已经证明通过测?或估计气隙磁通及得知了定子电流丽对气隙转矩所作的估值，给出了对气隙转矩良好的估值】，但在电机中插入磁通传感器提出了实际问题。 并意识到机轴转矩对该项工程?有实际的重要性。 所选的遥测技术系统在时有一点因为相电动机的对应于基本旋转频率有一个的最大转速，并所以预期可获得至少是第十八谐波的数据。 在电动机工厂中用应用测?仪对电动机输出轴进?了测?。 将这些测?仪留在了该系统，然后用它们在现场来测?了启动期间的转矩。 测足结果在图与图中显示了在试运期问加速和恒速运?时所取得的一些扭转测?结果、以及这些时候电动机电源的些信息。 可惜在加速期间记录的电?是?实用的在加速期间，在电动机轴所测得的最大振荡转矩为英尺?磅峰值，而非振荡转矩则为英尺磅。 在恒速运?期问，所测得的最大振荡转矩为英尺。 磅峰值，而电动机在时产生英尺?磅的非振荡转矩。 在所有情况，包括加速和恒速运?，振荡转矩的频率测得的结果都大约为。 这并?取决于电动机的转速。 在公用设施上运?时，仍然有一些测得的的振荡转矩，以及在英尺?磅的非振荡转矩时的英尺磅峰值转矩（英尺谤），一?。 时向（秒）图加速期闯测?的机轴转矩一电动机釉转矩（英尺一磅）时间（秒）相位谐波电流安培相位电压相位功率百分比基波相位一相位功率一一传动输出（星期四）基频图稳态运?期间的测?结果预测值与测?值的比较测得的在间的输出频率时电谐波与用于转矩预测的电流数值相当一致。 测得的稳态转矩数值与电动机输入?和操作条件的数值相一致。 一在稳态运?期间子现场所记录的振荡转短数值与所预测的值相近。 最大气隙转矩振荡在的传动装置输出频率对被预测为英尺?磅峰值，大约在该频率时所测得的最大机轴转矩振荡为英尺?磅峰值。 在通过临界值的加速期间所测得的振荡转矩稍小于预测值。 所测得的最大机轴振荡转矩大约为英尺?磅峰值，而预测的振荡轴转矩为英尺?磅。 ?论运?转速如何，所测得的振荡频率总是。 预期的倍和倍于运?转速分?是这测得的数据所完全没有的。 由于在预测的和测得的转矩频率之问存在差异，所以作了一些振动测