变频器对电机与电网的影响

1、1导言变频器的调速性能可以满足各种生产工艺机械设备的要求，风机和水泵的调速和流量调节的节能效果明显，因此变频调速得到了广泛的应用，但也带来了一些特殊的问题，不容忽视。2采用普通鼠笼式电机变频调速专用电机是为变频调速而设计的。在电机设计中，考虑了一些必要的对策。问题是原来设计用于电网供电的电机(以下简称普通电机)现在被用于变频器供电，所以有一些特殊问题需要讨论。在：技术改造项目中，用于变频调速的普通电机可在以下场合找到。例如，为了节能，已经存在用于泵和风扇的速度调节的马达。即使在新项目中，如果采取了一些措施，也没有必要使用变频电机。此外，普通电机相对便宜，容易获得所需的一般机电性能参数和机械结构

2、类型，最常见的是风机和泵的应用。最常用的变频器是电压源变频器，其逆变器输出通常为正弦脉宽调制(spwm)模式。除了正弦基波之外，输出电压还具有千赫(高达数十千赫)量级的高频分量，这是讨论的焦点。偶尔会遇到电流源逆变器，其输出电流为阶梯波，谐波频率为5、7、11、13等。本文不多讨论，也不涉及电机的起动和瞬态现象，但涵盖了速度控制范围内各种速度下的性能。3电机扭矩降低当普通电机由电压源变频器供电时，应减小扭矩。这里电机转矩的降低并不意味着电机在高速运行时不能产生原来的额定转矩，因为现代逆变技术可以克服各种障碍获得足够的转矩，但是电机的铁损和铜损会因谐波而增加，如果保持额定转矩，绝缘寿命可能会因温

3、升过高而缩短。考虑到上述因素，扭矩减小系数的典型值为0.81.0。对于恒转矩特性负载(负载所需的转矩不随速度变化)，电机为同轴自冷却风扇，由于低速时冷却能力明显降低，恒转矩运行表明电流不变，因此绝对不可能长时间运行(温升过高)。由于离心式风机水泵所消耗的功率随着转速的降低而迅速降低(约为三次关系)，且匹配电机的功率一般有一定的裕度，因此电机转矩的降低对于风机水泵的负载来说一般不成问题。对于恒定扭矩负载，电机不是同轴自冷却风扇，而是独立的通风冷却，如强制通风冷却。在这种情况下，普通电机是否可行，取决于原选用的电机功率是否有20%左右的富余容量，以克服铁损和铜损增加引起的温升过高的问题。4电机的绝

4、缘寿命电压源逆变器的逆变部分通常采用igbt等快速功率电子半导体器件，因此电压上升速度很快，使得电机匝间绝缘承受很大的电压应力，尤其是第一端线圈的匝间绝缘。它所承受的电压应力强度取决于电压脉冲的峰值、电压的上升速度和调制频率、变频器和电机之间电缆的特性和长度、电机绕组的设计以及其他系统参数。漆包线分散绕组型电机可以承受上述脉冲电压，而不会显著缩短其寿命。电缆的特性和长度对电机的绝缘寿命有影响，因为电缆具有分布电感和分布电容，电机的感抗对变频器输出的高频很高，可以认为是无圆顶的开路。行波理论被用来分析这种高频波在电缆中的现象。当电缆超过一定长度时额定电压为500v及以下的电动机的绝缘系统通常能承

5、受一定的电压峰值，并具有令人满意的寿命。然而，在变速运行期间，必须避免速度的快速变化，这可能导致变频器输出的再生电压低于电机额定电压的两倍。对于额定电压超过500v的电机，可能需要加强电机的绝缘或在变频器的输出端安装滤波器，以限制电压峰值或/和降低电压上升速度。5电机轴承电流工程设计者可能不太注意这个问题，但这是一个问题。直接受害者是马达的轴承。轴承表面将被小的轴承电流凹陷，这将最终无法正常工作。美国已有事故报道。这种轴向电流问题在相关iec标准中有规定，参见参考文献1。速度控制传动系统是一个复杂的系统，供应商包括变频器(产品可以包括电抗器)、电缆和电机，但只有两个直接相关的制造商是变频器和电

6、机。变频器和电机有产品标准，有时它们之间的匹配可能必须由系统集成商工程师来处理。5.1原因即使使用正弦波电源，也存在小的轴电压，这是由于电机轭的不均匀性，并且在定子圆形铁芯中产生磁通量(从端面看，铁芯是圆环)。轴电压主要是工频。如果轴电压不超过500mv，通常不需要采取措施。轴电流沿轴、轴承和电机外壳流动，另一端的轴承回到轴上形成一个闭环。变频调速产生的轴电流是另一种机理，它是由电压源变频器产生的所谓共模电压引起的。这种共模电压是变频器固有的。由于其电路结构和控制策略，其峰值约为交流-DC-交流电路中间DC电压的50%，可视为三相系统的零序电压分量，尤其是变频器输出电压中包含谐波分量。共模模型

7、的等效电路图如图1所示，轴电流最终回到变频器的中性点。图1中的：图1共模环路和轴承电压代表方位；静电放电加工电流；代表电缆；L0漏抗；csr定子和转子之间的电容；Rb承载阻力。Cb轴承电容。R0绕组电阻。Csf基极电容；Usng定子中性点接地电压；Crf转子框架电容；润滑轴承电压。Ib轴承电流。共模电压。5.2降低轴承电流的原则从图1可以看出，共模电压ucm源自变频器。为了减小轴承电流ib，原则上，它可以减小ucm，增加电缆的分布电容、csf和crf，并增加电缆的阻抗、电机的ro和lo以及轴承rbcsr的电阻。然而，在实践中，一些参数不容易或不适合改变，是否或需要采取什么措施取决于电机的尺寸。

8、5.3具体措施1，2基于合适的设备系统，有以下经验：(1)当电机的轴高等于或小于280毫米时，很少发生因变频运行导致的轴承故障。然而，当变频器的开关频率大于10khz(这种情况很少见)且输出电压大于400v时，应考虑对电机的一个轴承进行绝缘。(2)当电机的轴高等于或小于315毫米时，建议对轴承进行绝缘，很少需要对电机的两个轴承进行绝缘。如果不符合要求，强烈建议分析整个驱动系统，并应包括从动机械(联轴器是绝缘的)和接地系统(可能需要接地刷)。(3)当电机的轴高为315毫米或以上，并且不可能或不希望使其轴承绝缘时，建议采取以下措施之一：以降低变频器输出电压的dv/dt，即陡度，或安装滤波器以降低零

9、序，即其模式电压。需要适当的设备系统(布线、接地、等电位连接)作为基础的原因是为了尽可能减少进入电机的共模电流。因此，为了满足电磁兼容性(Compatibility)要求，应使用多芯屏蔽电缆，屏蔽层应为铜或铝，其两端应根据高频要求连接到pe线，即一端连接到变频器，另一端连接到电机。其他要求，如接地、等电位连接、测速发电机和脉冲编码器的连接电缆和布线，由iec标准推荐。详情参见参考文献1和2。6对运动的其他不利影响其他不利影响，如磁力引起的噪音，一般不会成为工业环境的问题。至于振荡转矩，spwm，即正弦波脉宽调制，通常用于变频器。此外，有一种说法认为变频器的高频输出电流会增加整个变频器的输出电流

10、，美国杂志的一篇文章3对此进行了阐述，特别是当电机和长分支电缆的功率小于20hp时。然而，在国内的运行实践中没有这样的报告，各种iec标准也没有提及。7逆变器输出电抗器和滤波器的特性和应用(见图2)2在某些情况下，例如，为了降低输出高频电压强度或提高电磁兼容性能，可能需要使用电抗器或输出滤波器，由于两端的电压降，这会对电机的性能产生一定的影响。7.1输出反应器特殊设计用于降低输出电压和dv/dt的峰值，但应注意，当设计不正确时，电压过冲的持续时间可能会延长。使用电抗器后，峰值上升时间可增加约5s，峰值电压可降至792伏。通常电抗器由逆变器供电，安装在逆变器柜内。电抗器还可以降低电缆的电容充电电

11、流，在较高的功率下，电缆长度可以达到几百米，而不会危及电机的绝缘。7.2限压滤波器(dv/dt滤波器)除了电抗器，它还包含电容或RC吸收整流桥，可以明显降低峰值电压，增加峰值上升时间(降低dv/dt值)。例如，峰值可降至684v，dv/dt为40v/s，但电机的电压损失约为0.51.0%，从而降低了起动转矩和最大转矩。这种滤波器主要用于电机绝缘水平相对较弱的场合。7.3正弦波滤波器专门设计的低通滤波器，滤除高频电流，使输出成为正弦波电压，通常有以下两种类型：(1)输出相电压和线电压为正弦波；(2)输出线电压为正弦波。这种滤波器价格昂贵，缺点是损失10%的电机电压，不适合要求高动态性能的场合，主

12、要用于一些特殊场合。7.4电机端单元(与电机集成的单元)它安装在电机附近，并连接到电机端子。其目的是使电机阻抗与电缆阻抗相匹配，以防止电机反射电压并导致电压上升(在最差的匹配情况下，电压可能会翻倍)。例如，峰值电压现在只有800伏，但还需要增加大约0.51.0%的损耗。图2 2显示了上述四种措施的特点。图2a输出反应器(3%)图2b输出dv/dt滤波器图2c正弦波滤波器图2d电机端单元图2四种措施的特征示例8变频专用电机的问题28.1产品标准目前，只有iec ts6003425:2007 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。应该注意的是，它不是一个标准，而

13、是一个“技术规范”，因为(iec法规):(1)尽管不断努力，但仍然没有足够的支持来公布国际标准；(2)相关技术仍在发展中，或由于其他原因，目前无法就国际标准达成一致，需要在未来解决。就名称和内容而言，它只是这种电机的设计指南，并对电机的性能作了一些规定。据报道，中国已准备将其转换为国家标准gb/z，但需经国家主管部门批准。8.2频率的选择变频专用电机的工作性能和运行数据受整个驱动系统的影响，包括电源系统、变频器、接线、电机、机械轴连接和控制设备，其中变频器的影响最大。如果电机和转换器由一家制造公司生产和供应，用户只需遵循制造商产品规格的要求，这相对简单。如果变频专用电机厂和变频器厂不是同一个企

14、业，像国内大多数厂家一样，此时在选择变频专用电机时，我们应该仔细阅读电机说明书，明确电机设计中考虑了哪些问题，用户不需要采取额外的措施。9变频器输入前端连接方案的选择9.1通常使用二极管整流桥4该方案简单，价格最低，但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非常大。因此，输入电抗器必须连接在电压源逆变器之前，相对电抗值约为4%。即使加上这个电抗器，谐波电流仍然很大。当逆变器的功耗占相当大的比例时，有必要考虑使用滤波器来控制谐波。通常，考虑价格较低的无源滤波器。当无源滤波器不能满足技术要求时，可以考虑有源滤波器。无论使用哪种过滤器，都会增加投资，占用更多的建筑空间，增加维护工作量。

15、9.2使用清洁的变频器在市场上，变频器的输入前端已经采用了pwm方案，即所谓的双pwm变频器，它不仅没有低频谐波，而且具有1的可调功率因数，但是价格很高。如果驱动装置需要能量反馈，这种有源前端变频器可以作为优先方案来考虑和比较，特别是当单个功率很大或很大且动态负载瞬间变化时，因此在经济上具有竞争力。虽然其他有源前端方案可以解决能量反馈的问题，但不可避免地要为低功率因数和谐波问题增加补偿装置，这在经济上或技术上很难有任何优势！10什么谐波标准适用于工厂(非公共)电网厂用(非公用)电网是企业或行业单独使用或多个公司共用的电网，其电压可高达110kv。非公共电网经常是这样，但是什么标准是适用的并不为

16、人所知和清楚。10.1 gb/t14549-93公共电网电能质量谐波显然，它适用于公共电网，但基本上不适用于非公共电网。这是因为谐波标准主要是对谐波电压的含量进行限制。企业或行业具有各种电力负载属性，并且可以具有其他谐波电压限值。其中相当一部分比公共电网宽松，而特殊企业或行业有更严格的要求。因此，iec为此发布了另一个标准。详见下文第10.2节。然而，gb/t14549并没有忽视非公共电网的谐波状态，而是限制了非公共电网或单位负荷向公共电网传输的谐波电流，这是防止公共电网谐波电压超标的基础。gb出版于1993年，其内容已经过时。相关部门正在考虑修改。10.2 gb/t 18039.4-2003电磁兼容、环境和工厂低频传导骚扰的兼容等级许多设计工程师不熟悉这个标准并不奇怪，因为“谐波”一词没有出现在标准名称中。原来这是从iec标准iec61000-2-4:1994转换而来的。在“电磁兼容性”的标题下，iec将低频传异骚扰列为一种干扰，除谐波外还包括：(1)电源电压的允许偏差；(2)三相电压允许不平衡；(3)电压波动；(4)电压闪变；(5)关于电压骤降和短时中断的详情，参见文献5。在本标准中，根据工厂负荷的不同性质，允许的谐波电压含