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{天辰}揭秘：{天辰注冊(cè)平臺(tái)}算法原理，變頻器的調(diào)速性能能夠滿足各種生產(chǎn)工藝機(jī)械設(shè)備的要求，對(duì)風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速調(diào)節(jié)流量的節(jié)能效果很明顯，故變頻調(diào)速已獲得廣泛應(yīng)用，但也帶來一些特殊問題，不可掉以輕心。
變頻調(diào)速專用電動(dòng)機(jī)為變頻調(diào)速而設(shè)計(jì)，在電機(jī)設(shè)計(jì)中，已考慮了一定的必要的對(duì)策措施，問題是原為電網(wǎng)電源供電設(shè)計(jì)的電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱普通電機(jī))，現(xiàn)在欲用于變頻器供電，這就有一些特殊的問題要探討。為變頻調(diào)速而采用普通電動(dòng)機(jī)，可能見之于下列場(chǎng)合:技術(shù)改造工程，例如為了節(jié)能而對(duì)水泵風(fēng)機(jī)調(diào)速，電機(jī)早已有了。即使是新建工程，如果采取某些措施，也不是非用變頻電機(jī)不可，何況普通電機(jī)價(jià)格相對(duì)較低，也易于獲得需要的一般機(jī)械電氣性能參數(shù)和機(jī)械結(jié)構(gòu)型式，最常見的是風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)用。
采用的變頻器最常見的是電壓源型變頻器，其逆變器輸出通常都是正弦波脈寬調(diào)制(spwm)方式，輸出電壓除了正弦形基波外，還有khz數(shù)量級(jí)(可達(dá)幾十khz)的高頻成分，這類變頻器是討論的重點(diǎn)。偶而可以遇到電流源型變頻器，其輸出電流是階梯形波，諧波次數(shù)為5，7，11，13等，本文不多討論，討論的內(nèi)容也不涉及電機(jī)的啟動(dòng)和瞬變現(xiàn)象，但內(nèi)容覆蓋了調(diào)速范圍內(nèi)各種速度下的性能。
普通電機(jī)由電壓源型變頻器供電時(shí)，轉(zhuǎn)矩要有所降低。這里的電機(jī)轉(zhuǎn)矩降低不是指電機(jī)在調(diào)速運(yùn)行時(shí)不能夠產(chǎn)生原有的額定轉(zhuǎn)矩，因?yàn)楝F(xiàn)代的變頻器技術(shù)可以克服各種障礙以得到足夠的轉(zhuǎn)矩，而是由于諧波引起電機(jī)的鐵損和銅損增加，若維持額定轉(zhuǎn)矩運(yùn)行可能就會(huì)因溫升過高而縮短絕緣壽命?？紤]上述各種因素，轉(zhuǎn)矩降低系數(shù)的典型值為0.8~1.0。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載(負(fù)載要求的轉(zhuǎn)矩不隨速度而變)且電機(jī)是共軸自冷卻風(fēng)扇時(shí)，由于低速時(shí)冷卻能力明顯降低而恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行表明電流不變，若較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行是肯定不行的(溫升過高)。由于離心式風(fēng)機(jī)水泵消耗的功率隨轉(zhuǎn)速降低而急驟(約為三次方關(guān)系)降低，且所配套的電機(jī)功率一般都有一定的裕度，因而電機(jī)轉(zhuǎn)矩的降低對(duì)風(fēng)機(jī)水泵負(fù)載來說一般都不會(huì)有問題。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，電機(jī)不是共軸的自冷卻風(fēng)扇，而是獨(dú)立的通風(fēng)冷卻例如強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，這種場(chǎng)合，普通電機(jī)是否可行,要看電機(jī)功率的原選配是否有約20%的富裕能力，以克服鐵損銅損的增加而導(dǎo)致的過高溫升問題。
電壓源型變頻器的逆變部分通常用快速電力電子半導(dǎo)體器件如igbt，因而電壓上升速度很高，使電機(jī)的匝間絕緣承受很大的電壓應(yīng)力，特別是首端線卷的匝間。其所承受的電壓應(yīng)力的強(qiáng)度大小決定于電壓脈沖的峰值、電壓的上升速度和調(diào)制頻率、變頻器和電動(dòng)機(jī)之間的電纜特性和長(zhǎng)度、電機(jī)繞組的設(shè)計(jì)以及其它的系統(tǒng)參數(shù)。用漆包線的散嵌繞組類型的電動(dòng)機(jī)可能能夠承受上述脈沖電壓而不會(huì)明顯地縮短壽命。
電纜的特性和長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)絕緣壽命有影響是因?yàn)殡娎|有分布電感和分布電容，而電機(jī)對(duì)變頻器輸出的高頻而言，電機(jī)的感抗是很高的，可認(rèn)為是開路的無穹大，分析這類高頻波在電纜中的現(xiàn)象要用到行波理論，當(dāng)超過一定的電纜長(zhǎng)度，行波到達(dá)電動(dòng)機(jī)端頭上時(shí)，電壓可能升高一倍，對(duì)電機(jī)的絕緣特別是匝間絕緣構(gòu)成威脅，某些變頻器廠家規(guī)定對(duì)電纜有長(zhǎng)度限制，就是此理。對(duì)額定電壓500v及以下電動(dòng)機(jī)的絕緣系統(tǒng)通常能承受一定的電壓峰值而可有滿意的壽命期，但是在變速運(yùn)行時(shí)，要避免速度的快速變化，因這可能引起在變頻器輸出的再生電壓達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定電壓的兩倍以下。
額定電壓超過500v的電動(dòng)機(jī)，可能要求電動(dòng)機(jī)有加強(qiáng)的絕緣或在變頻器輸出端加裝濾波器以限制電壓峰值或/和降低電壓上升速度。
工程設(shè)計(jì)人員可能不大關(guān)心這個(gè)問題，但它確是個(gè)問題，直接受害對(duì)象是電動(dòng)機(jī)的軸承，通過不大的軸承電流會(huì)使軸承表面產(chǎn)生麻點(diǎn)，最終不能正常工作，美國(guó)已有事故報(bào)導(dǎo)。關(guān)于這個(gè)軸電流問題在iec的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定，見文獻(xiàn)[1]。調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，供貨方包括變頻器(產(chǎn)品可包括電抗器)、電纜和電動(dòng)機(jī)，而直接有關(guān)的只有兩家即變頻器和電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠。變頻器有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，電動(dòng)機(jī)也有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，兩者之間的匹配有時(shí)可能還得系統(tǒng)集成者—工程設(shè)計(jì)人員來關(guān)照。
即使是正弦波電源供電，也有不大的軸電壓產(chǎn)生，這是由于電機(jī)磁軛的不齊整性而在定子園形鐵芯內(nèi)(從端面看鐵芯是一個(gè)園環(huán))產(chǎn)生磁通，軸電壓主要是工頻，若軸電壓不超過500mv，通常不需要采取措施。軸電流沿著軸、軸承、電機(jī)外殼，另一端軸承再返回到軸形成閉合回路。變頻調(diào)速產(chǎn)生的軸電流是另一種機(jī)制，它是由電壓源型變頻器產(chǎn)生的所謂共模電壓引起的，此共模電壓是變頻器所固有的，緣于它的電路結(jié)構(gòu)和控制策略，其峰值約為交一直一交電路中間直流電壓的50%，可以認(rèn)為是三相系統(tǒng)的零序電壓分量，特別包含了變頻器輸出電壓中的諧波成分，共模模型的等值電路圖如圖1所示，軸電流最后返回到變頻器的中性點(diǎn)。
從圖1中可以看出，共模電壓ucm源自變頻器，為了降低軸承電流ib，原理上可以降低ucm，加大電纜的分布電容、csf和crf以及加大電纜的阻抗、電機(jī)的ro、lo和軸承的電阻rbcsr，但在實(shí)際措施上有些參數(shù)是不易或不合適改變的，且因電機(jī)的大小不同，是否需要采取措施或采取何種措施均有所不同。
在合適的裝置系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，有下列經(jīng)驗(yàn):(1)電動(dòng)機(jī)軸高為280mm及以下時(shí)，很少發(fā)生因變頻運(yùn)行而使軸承失效的，但變頻器的開關(guān)頻率大于10khz(這種情況不多)和輸出電壓大于400v時(shí)，要考慮給電機(jī)的一個(gè)軸承加以絕緣。
(2)電機(jī)軸高為315mm及以下時(shí)，建議對(duì)軸承加以絕緣，絕緣的交流阻抗對(duì)1mhz至少為100。很少需要對(duì)電機(jī)的兩個(gè)軸承都加絕緣，如果還不滿足要求，則強(qiáng)烈建議對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析并且宜包括被驅(qū)動(dòng)機(jī)械(對(duì)于軸耦合器加以絕緣)和接地系統(tǒng)(可能需要接地電刷)。(3)電機(jī)軸高為315mm及以上時(shí)，對(duì)其軸承加以絕緣不可能或不希望時(shí)，建議采取下列措施之一:降低變頻器輸出電壓的dv/dt,即陡度，或加裝濾波器以降低零序即其模電壓。
之所以需要有合適的裝置系統(tǒng)(布線、接地、等位聯(lián)接)作基礎(chǔ)，是要盡一切可能使進(jìn)入到電機(jī)的共模電流為最小，為此，也為了滿足emc(電磁兼容)要求，宜使用多芯屏蔽電纜，屏蔽層宜為銅或鋁質(zhì)，并于其兩端按高頻要求接到pe線上，即一端接變頻器，另一端接電動(dòng)機(jī)。其它要求如對(duì)接地、等位聯(lián)接、對(duì)測(cè)速發(fā)電機(jī)和脈沖編碼器的連接電纜及布線，iec標(biāo)準(zhǔn)都有建議，詳見文獻(xiàn)[1]、[2]。
其它不良影響如磁力引起的噪音，對(duì)工業(yè)環(huán)境一般不會(huì)成為問題，至于振蕩轉(zhuǎn)矩，由于變頻器一般都采用spwm，即正弦波脈寬調(diào)制，也都不會(huì)成為問題。此外，還有一種說法認(rèn)為變頻器的高頻輸出電流，會(huì)使變頻器的輸出電流整體上有所增加，美國(guó)雜志上也曾有文[3]闡述此事，特別是功率20hp以下電機(jī)和長(zhǎng)支線電纜時(shí)。但國(guó)內(nèi)運(yùn)行實(shí)踐未見有此報(bào)導(dǎo)，iec的各種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此也未提及。
在某些場(chǎng)合，例如為了降低輸出的高頻電壓強(qiáng)度或改善電磁兼容性能，采用電抗器或輸出濾波器可能是需要的，由于在其兩端要產(chǎn)生電壓降，因而對(duì)電動(dòng)機(jī)的性能有某些影響。
特殊設(shè)計(jì)用以降低輸出電壓峰值及dv/dt，但要注意，特別是帶鐵心的，當(dāng)設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，可能延長(zhǎng)電壓過沖(overshoot)的持續(xù)時(shí)間。使用電抗器以后可以增加峰值上升時(shí)間約5s，而將峰值電壓降至792v，通常該電抗器由變頻器成套供應(yīng)并裝在變頻器柜中。這種電抗器還能減少電纜的電容充電電流，而在較大功率時(shí)，可使電纜長(zhǎng)度達(dá)到幾百米而不致危及電機(jī)絕緣。
它除了電抗器之外，還包含有電容器或阻容吸收整流橋，可明顯的降低峰值電壓和增加峰值上升時(shí)間(減少dv/dt值)。例如峰值可降至684v，dv/dt為40v/s，但對(duì)電機(jī)約損失電壓0.5~1.0%，因而會(huì)減少啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩。這種濾波器主要用在電機(jī)絕緣水平相對(duì)比較弱的場(chǎng)合。
特殊設(shè)計(jì)的一種低通濾波器，以濾除高頻電流使輸出成為正弦波電壓，通常有下列兩種類型:(1)輸出相電壓和線)輸出線電壓為正弦波。
這種濾波器比較貴，而且有缺點(diǎn)，即損失電機(jī)電壓10%，故也不宜用于要求高動(dòng)態(tài)性能的場(chǎng)合，它主要用于一些特殊場(chǎng)合。
它安裝在電機(jī)近旁并連接在電機(jī)端子上，其目的是使電機(jī)阻抗與電纜阻抗匹配以防止電機(jī)反射電壓而使電壓升高(在匹配最不利情況，電壓可升高一倍)，例如峰值電壓現(xiàn)只有800v，但它也要增加損耗約0.5~1.0%。上述四種措施的特性如圖2所示[2]。
8.1產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)目前有的只是《iec ts60034—25:2007 第2版 旋轉(zhuǎn)電機(jī) 第25部分 專為變流器饋電的交流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)指南和性能》。要注意，它不是標(biāo)準(zhǔn)只是一本技術(shù)規(guī)范(ts)，因?yàn)?iec規(guī)定):
(1)雖經(jīng)過不斷努力，尚得不到足夠的支持來出版國(guó)際標(biāo)準(zhǔn);(2)有關(guān)技術(shù)仍在發(fā)展中，或者由于其他任何原因，目前尚不可能在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)上取得一致，有待將來解決。
從名稱和內(nèi)容上來看，它確只是這類電機(jī)的設(shè)計(jì)指南，并對(duì)電機(jī)的性能作了一些規(guī)定，據(jù)悉，國(guó)內(nèi)已準(zhǔn)備將其轉(zhuǎn)化為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/z一類，并有待國(guó)家主管機(jī)關(guān)批準(zhǔn)。
變頻專用電機(jī)的工作性能和運(yùn)行數(shù)據(jù)受整體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響，這包括供電電源系統(tǒng)、變流器、布線、電動(dòng)機(jī)、機(jī)械 軸連接和控制設(shè)備，其中受變流器的影響最大。
如果電動(dòng)機(jī)和變流器由一個(gè)制造公司生產(chǎn)供貨，用戶只要遵循生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說明書的要求即可，這相對(duì)比較簡(jiǎn)單。如果變頻專用電機(jī)廠和變流器廠不是一個(gè)企業(yè)，像國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家都是這樣，此時(shí)，選用變頻專用電機(jī)時(shí)要仔細(xì)閱讀電機(jī)的說明書，明確該電機(jī)在設(shè)計(jì)中已考慮了哪些問題并且不需要用戶另外再采取措施。
這種方案是簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)最低，但它只能用于沒有能量反饋的場(chǎng)合，另一個(gè)缺點(diǎn)是產(chǎn)生的諧波電流很大，因而在電壓源型變頻器之前一定要接入輸入電抗器，相對(duì)電抗值為4%左右，即使增設(shè)了此電抗器，諧波電流仍然較大，當(dāng)變頻器用電量占有相當(dāng)?shù)谋壤龝r(shí)，就要考慮采用濾波器來治理諧波了，通?？紤]為價(jià)格較低的無源濾波器，當(dāng)無源濾波器在技術(shù)上不能滿足要求時(shí)，可考慮采用有源濾波器，不管采用哪一種濾波器，都要另增加投資，多占用建筑的空間，增加維護(hù)工作量。9.2采用潔凈的變頻器
市面上早已出現(xiàn)變頻器的輸入前端采用pwm方案，即所謂雙pwm變頻器，不但低頻諧波沒有，而且功率因數(shù)可調(diào)為1，但價(jià)格高，如果驅(qū)動(dòng)裝置需要能量反饋，則這種有源前端的變頻器可以作為優(yōu)先方案加以考慮和比較，特別是單臺(tái)功率很大或較大而且是動(dòng)態(tài)負(fù)載即負(fù)載瞬間變動(dòng)，采用此方案即使在經(jīng)濟(jì)上也有競(jìng)爭(zhēng)力。采用其它有源前端方案雖也能解決能量反饋問題，卻不可避免的為功率因數(shù)低和諧波問題而另外增設(shè)補(bǔ)償裝置，這無論在經(jīng)濟(jì)上或技術(shù)上都難有什么優(yōu)勢(shì)可言了！
工廠(非公用)電網(wǎng)就是企業(yè)或?qū)崢I(yè)獨(dú)用或幾家共用的，電力部門 不對(duì)其管理、維護(hù)的電網(wǎng)，其電壓可以高至110kv。非公用電網(wǎng)是常有的情況，但適用什么標(biāo)準(zhǔn)并不是眾所周知和都很明確的。
很清楚，它適用于公用電網(wǎng)，基本上不適用于非公用電網(wǎng)，這是因?yàn)橹C波標(biāo)準(zhǔn)主要是諧波電壓的含量要受到約束，企業(yè)或?qū)崢I(yè)的用電負(fù)荷性質(zhì)多種多樣，可以有另外的諧波電壓限制值，相當(dāng)一部分比公用電網(wǎng)的要求要寬松，特殊的企業(yè)或?qū)崢I(yè)則要求更嚴(yán)格，所以iec為此另外頒布了標(biāo)準(zhǔn)，詳見下面10.2節(jié)。
但是gb/t14549 也不是對(duì)非公用電網(wǎng)的諧波狀態(tài)放任不管,它要限制非公用電網(wǎng)或單元負(fù)荷向公用電網(wǎng)輸送的諧波電流的大小,這是使公用網(wǎng)諧波電壓不超標(biāo)的基礎(chǔ)。該gb系1993年公布,內(nèi)容已不合時(shí)宜,有關(guān)部門正在考慮修改中。
不少設(shè)計(jì)工程師并不熟悉這本標(biāo)準(zhǔn)，這不足為奇，因?yàn)?從標(biāo)準(zhǔn)名稱并沒有諧波二字出現(xiàn)。原來這是從iec標(biāo)準(zhǔn)《iec61000-2-4:1994》轉(zhuǎn)化來的，iec在電磁兼容大標(biāo)題下，將《低頻傳異騷擾》列為騷擾中的一類，除了諧波外，還包括:
(5) 電壓暫降和短時(shí)中斷 詳見文獻(xiàn)[5]。在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，按工廠負(fù)荷性質(zhì)的不同，將允許的諧波電壓含量又分為三類、其中第一類要求最嚴(yán)格，第三類最寬松。如何分類，各類的允許值為多少，詳見該gb/t。不過該國(guó)標(biāo)依據(jù)的是1994年的iec標(biāo)準(zhǔn)，2002年iec標(biāo)準(zhǔn)有了第2版，欲知詳細(xì)介紹可參見文獻(xiàn)[6]。
有關(guān)的是《ieee std 519—1992 電力系統(tǒng)中諧波控制的實(shí)用措施建議》，并被認(rèn)可為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2004年有少量修改，并未見有新版。
這本標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容當(dāng)然可以參考，但和相應(yīng)的iec標(biāo)準(zhǔn)相比較有許多不足之處，只要認(rèn)真閱讀這兩類標(biāo)準(zhǔn)，便會(huì)和筆者一樣得出上述結(jié)論，試舉一例該標(biāo)準(zhǔn)在其1.2節(jié)范圍中說本標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的是在共同耦合點(diǎn)pcc(point of common couple)上供應(yīng)的電功率質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)共同耦合點(diǎn)所規(guī)定的諧波電壓限值(該標(biāo)準(zhǔn)的表11.1)應(yīng)理解為是對(duì)公用電網(wǎng)而不是對(duì)工廠電網(wǎng)而言，iec則對(duì)pcc有明確定義，規(guī)定為在公用電網(wǎng)上的一個(gè)點(diǎn);另外還有個(gè)點(diǎn)叫工廠內(nèi)耦合點(diǎn)ipc(in-plant point of coupling)，因而iec標(biāo)準(zhǔn)對(duì)諧波的限制分為公用網(wǎng)和工廠網(wǎng)兩類，這對(duì)工廠網(wǎng)而言更加合適。
