变频器对普通电动机的影响及抑制措施

田红彬 熊新国

1，郑州轻工业学院,河南 郑州 450052; 2 ，河南职业技术学院,河南 郑州 450000

变频器对普通电动机的影响及抑制措施

田红彬1,2熊新国2

1，郑州轻工业学院,河南 郑州 450052; 2 ，河南职业技术学院,河南 郑州 450000

自从上个世纪80年代, 变频器就被广泛应用于改善交流电动机的调速性能。但是在使用过程中由于变频过程中高次谐波的出现, 会对普通电动机绝缘造成一定的危害。本文从变频器对普通电动机绝缘的危害入手,分析产生危害的原因及预防措施,为设备改造提供参考。

变频器；电动机；绝缘

transducer; motor; insulation

引言

近年来，随着大功率电力晶体管和计算机控制技术的发展，通用变频器被广泛应用于三相交流异步电动机的调速、节能改造、改善生产工艺等。人们常把变电压变频率的电源装置( Variable Voltage Variable Frequency,简称VVVF 装置) 与交流电动机组合成为变速电动机。近几年, 许多企业把VVVF 变频装置附设在普通电动机上运行, 使现有的恒速交流电动机变成可调速的变速电动机运行, 特别是用于一半以上的泵类、风机类负载, 如用改变电机转速的方法调节流量或风量,在压力保持不变的情况下, 可以降低与转速n 成立方关系的电动机输入功率P1( P1∝ n3), 有时可高达30% ～500%, 从而实现节能规划。

但是, 按照上述措施将一般交流电动机装上各种变频器进行调速时, 电动机在非正弦波电源作用下,从低频到高频范围内运行,会产生各种困难和问题。比如, 逆变器的换流脉冲电压对电动机绕组绝缘结构的冲击,逆变器所产生的高次谐波会使电动机的温度升高; 由于转速向下调时, 低转速又会使电动机冷却变坏; 又由于逆变器的高次谐波电流所产生的脉动转矩与机械系统固有振动频率特性而产生转轴共振等问题。这些问题的存在,会对电动机的对地绝缘形成威胁, 加速电动机对地绝缘的老化。

1 变频电源对普通电动机绝缘危害的原因

随着电动机绝缘材料的不断进步, 目前生产的电动机不论是高压电动机还是低压电动机, 绝缘水平都是相当高的。但是, 现用的电动机大都是老系列产品,绝缘水平很差,当把这些电动机改用逆变器控制做变速电动机使用时,在绝缘可靠性方面就会产生问题。

1.1 脉冲电压对绕组绝缘的危害

在各种VVVF 方式的输出电压波形中,属于电压型逆变器的换流脉冲前沿陡度大而脉冲幅度小;但电流型逆变器则相反, 脉冲的前沿陡度小而脉冲幅度大, 逆变器对电动机供电时, 输出电压波的峰值都是超过基波的电压数倍。具有急陡前沿脉冲的电压波施加在交流电动机绕组上时, 其电压分布与施加普通工频电压不同, 这时电动机绕组的各个线圈上所分布的电压是不均匀的, 越是靠近电源侧的线圈,其所分布的电压值越高。脉冲电压在绕组内电压分布大体上按下式计算:

式中 Vab -施加在ab 线段上的电压(V) ;

Vs-脉冲波的高峰值(V) ;

lab - ab 段的全长( cm) ;

Vm-脉冲电压的平均传递速度

( cm/ s) ;

tf-施加脉冲波的波头长(μ s) 。

下图1是施加在低压电动机的电压型逆变器的电压输出波形, 以及绕组电压分布情况。从图1可以看出,越靠近电源的施加电压端的线圈,其电压分布越高。正是因为这个原因,电动机在长期运行中,某线圈的匝间将要承受很高的匝间电压, 使匝间绝缘耐电压水平产生问题。

图1 电压型逆变器的电压输出波形及其绕组分布

另外, 由于绕组内电压分布还根据输入的脉冲电压波陡度和绕组接线方式以及绝缘方式不同而不同, 所以必须掌握电动机绕组的实际情况。采用逆变器作为电动机运行供电电源时,换流脉冲会经常形成重叠的波形,所以,根据VVVF方式和频率所确定的具有恒定的反复周期性的换流脉冲电压会施加在电动机绕组上。过高的脉冲电压施加在绕组上时, 则会造成以下后果:

(1) 由于目前中小型容量变频器, 大多数采用SPWM 的控制方式。它的载波频率约为几kHz 到十几kHz, 这就使电动机线圈需要承受很高的电压上升率。另外, 由PWM 变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上, 会对电动机的对地绝缘形成威胁并加速其老化。

(2) 出现浪涌电压和电晕现象, 损害电动机绝缘。电动机运行时, 外加电压经常与变频装置中元器件换流时产生的浪涌电流相叠加, 有时浪涌电压较高, 致使线圈受到反复电冲击, 绝缘加速老化。此外, 有时浪涌电压引起电晕放电, 致使线圈对地绝缘损坏。

1.2 谐波引起电动机的温度升高

在逆变器电路变流过程中, 其输出电压或电流为阶梯波, 因此含有丰富的谐波, 致使异步电动机在非正弦电压电流下运行。以当前比较普遍使用的正弦波PWM 变频器为例, 其低次谐波基波基本上为零, 剩下的是比载波频率( 晶体管开关频率) 大一倍左右的高次谐波分量。高次谐波会引起定子铜耗、转子铝耗、铁耗及附加损耗的增加, 最为显著的是转子铝耗。如将普通异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下, 在同样的输出和相同的散热条件下, 要比工频时温升约增加10%～20% 。

1.3 低速时的冷却效果差

在电源频率较低时, 因普通异步电动机的阻抗不尽理想, 使电源中高次谐波所引起的损耗增大。再者, 自冷式普通异步电动机在转速降低时, 冷却风量将与转速成正比例地减小, 这必将使电动机的低速温升急剧增加。据分析和实验证明,对中小型容量的自冷式电动机, 其定子绕组温度上升9.6%～24.1%。

以上这些原因都能使绕组绝缘受到危害。因此, 采用逆变器做电源的电动机, 对于以上原因引起绝缘老化的问题, 在改造设备之前应充分考虑到。

2 如何解决变频电源对电动机绕组绝缘的危害

通常电动机实际的绕组绝缘耐电压水平是针对正常运行电压而言的, 而在变频电源作用下, 线圈匝间绝缘承受的电压要比正常高出数十倍, 所以在规划之前, 有必要特别考虑绝缘协调问题。协调的目的是: 不因反复施加脉冲电压而引起绝缘老化, 不使绕组产生有害的电晕电压。对于新购的变速交流电动机, 因为设计时就已经考虑到绝缘协调的问题, 所以不存在绝缘协调问题。但是,作为调速对象的现有电动机来说, 由于设计时没有考虑绝缘承受脉冲电压和变速运行,所以必须考虑绝缘协调问题。

2.1 对电动机绝缘性能进行诊断。

2.1.1 绝缘性能的诊断有各种绝缘试验方法, 主要有下列几种:

(1) 绝缘电阻的测试;

(2) 介质损耗角正切的测试;

(3) 局部放电试验;

(4) 交流电流试验。

根据其中某一种试验方法来判断绝缘劣化是困难的, 一般情况要对全部项目试验的结果进行综合分析评定。再者, 作为被评定的电动机用低电压和高电压的试验项目也不同, 所以按试验的目的, 能够适当综合进行判断。作为劣化判断基准也没有绝对数量值, 个别情况下是按具体情况规定的。另外, 还要知道电动机是如何运行的以及运行的历史情况,要掌握绝缘特性随时间变化的情况, 这些对于判断绝缘劣化是有帮助的。通过上述实验分析, 对现有电动机的绝缘性能作出综合评定。

2.1.2 对现有电动机改用变频电源时,必须采取以下措施:

2.1.2.1 解决换流脉冲及高次谐波对绝缘危害的措施

2.1.2.2 调查现有电动机的制造年份、绝缘方式, 判断出匝间和对地绝缘对脉冲电压的承受能力;

2.1.2.3 选择换流脉冲较小的电压型多叠换流方式;

2.1.2.4 装设阻容吸收装置。在逆变器输出和电动机输入之间装设阻容吸收装置,使换流脉冲波形的波头钝化, 使波幅值得到改善, 从而吸收成抑制浪涌电压;

2.1.2.5 串入交流电抗器。在逆变器输出和电动机输入之间的线路上串入交流电抗器, 可抑制高次谐波。

2.2 解决温升冷却方式

如前所述, 为了减小损耗、降低温升,对现有电动机改用变频电源时, 应采取有效措施, 使其在相同容量、相同转速下损耗和温升不致过高。但由于变频调速电动机运行速度范围很广, 高低速度变化很大, 而风扇风量Q 与转速n 有如下关系:

式中 R 风路的风阻。

可见低速时电动机通风量将随转速成比例减小, 也就是说, 电动机的冷却能力与转速有关。而全封闭的外扇形电动机的转速n与冷却系数c 有如下关系:

式中 CN额定转速nN 时的冷却系数;

α计算系数, 约为0.5～0.65。

因此, 为了防止变频调速电动机低速运行时冷却能力的下降, 在规划设计时, 应对电动机的冷却方式进行改造, 安装简易、冷却效果好的全封闭外扇形式进行冷却, 以确保电动机安全运行。

3 结语

总之, 变频电源对普通电动机线圈绝缘的影响,不是简单一方面的问题, 需对上述各方面综合考虑。所以对现用电动机采取变速控制时, 必须调查电动机制造年份、绝缘特性,然后按此选用合适的VVVF控制方式。根据具体情况采取阻容吸收装置、电抗器抑制及改善冷却方式等必要措施。

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，1990

[2]黄俊.半导体变流技术.北京：机械工业出版社，198 6

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[4] A．E．Fitzgerald,Charles Kingsley,JrStephen D.U m a n s著;刘新正,苏少平,高琳等译.电机学(第六版).北京：电子工业出版社，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

田红彬(1976-)，男，河南郑州人，郑州

轻工业学院电气工程专业工程硕士，河南职业技术学院讲师，主要研究方向电气自动化控制技术。

熊新国(1975-)，男，湖北荆州人，河南职业技术学院讲师，主要研究方向电气自动化控制技术。