变频电机供电电源质量分析

崔天瑞,王安国

(佳木斯电机股份有限公司,黑龙江佳木斯154002)

0 引言

进入21世纪以来,随着系统集成与变频技术的快速发展,对于调速精度要求较高的设备上渐渐出现了变频调速三相异步电动机的身影。变频调速三相异步电动机拥有调速精度高、变频范围广、低频转矩大、运行效率高等诸多优点,因此工业上包括石油、石化在内的大部分企业对变频调速三相异步电动机愈加青睐。变频调速三相异步电动机是以变频器供电,那么变频器供电电源质量的好坏对电动机的绝缘系统稳定性有着至关重要的影响,同时变频器供电的低质量电源对变频调速三相异步电动机的振动、噪声、温升以及附加损耗方面均有这影响,因此解决变频器供电电源的质量以及对变频调速三相异步电动机的绝缘处理就尤为重要,是提升整体运行系统的关键性问题。

1 变频器控制电路原理

图1为变频器电源供电使电动机运行的基本原理图,基本原理图包括主电路和控制电路上下两部分,变频器由核心部件CPU、输入及输出信号、操作板、存储器和电路等组成,其中外接电位器模拟信号通过模数转换传入CPU,以调整电动机运行转速。

图1 变频器电源供电使电动机运行的基本原理图

1.1 变频器的低质量电源对电动机振动的影响

变频器供电电源的波形不能完全形成正弦波进入电动机端子,较差的供电质量将会在电动机轴上形成振荡转矩,造成电动机运行过程中的振动值增加。变频器供电时的电源质量将会产生直流分量和负序分量,随之会带来基频转矩分量,在设备运行过程中要加以预防。由于直流分量和负序分量会对电阻以及短路电抗产生影响,所以即使变频器供电时输出非常小的不对称的电压也会产生极其大的不对称的电流,进而对电动机的振动产成极大的影响。

1.2 变频器的低质量电源对电动机温升的影响

变频器供电电源质量差,即变频器供电输出的电源并非严格意义上的正弦波,此时电动机除所需的基波外还会存在对电动机造成额外损耗的波形。这些附加损耗的大小取决于变频器输出电压波形的好坏,如果在变频器和电动机之间没有增加带有滤波功能的电抗器,这些附加损耗将无法避免或减小,额外的损耗将会以热能的形式散发,因此可引起电动机运行时温升升高。

1.3 变频器的低质量电源对电动机绝缘的影响

电缆长度超过100m或没有串联滤波器,输出电压中的高次谐波如果直接加在电动机上会对绕组产生冲击,电动机接线盒中的接线端子将会承受非常大的电压上升率,也就意味着电机绕组的首匝线圈将被施加非常大的电压值,极有可能使电动机定子绕组线圈匝间击穿,造成电动机故障。同时,如此大的电压值叠加在电动机的供电电压上,电动机的对地绝缘也将受到很大的冲击,会加速绝缘系统的老化速度,对电动机造成不可逆的破坏。

1.4 变频器的低质量电源对电动机噪声的影响

电动机运行过程中是电磁转换的过程,电机运行过程中存在磁场即会存在电磁噪声,只是在电机设计阶段和制造阶段会有效的减少电磁噪声。电动机运行过程中所产生的电磁噪声和定、转子气隙产生相互作用力有关,同时与电动机表面的声辐射特性有着密不可分的关联。因此减小电磁噪声可以从电磁结构调整和抑制辐射两个方面入手。第一,在电磁设计时选择适当的定、转子槽配合;第二,定子或转子斜槽可使径向力沿电机轴向方向发生位移,使径向力降低,从而降低电动机的电磁噪声。

电动机电磁噪声和轴承异响与电源频率以及谐波分量有着密不可分的关联,变频器供电和普通电源供电相对比时,供电频率超过3kHz时,变频器供电的噪声增量小,当供电频率相对较低时,变频器供电所引起的噪声增量大。

1.5 变频器的低质量电源谐波产生附加的杂散损耗影响

变频器的低质量电源除了对电动机的振动、电动机的温升、电动机的绝缘系统以及电动机的运行噪声有影响以外,还需要考虑变频器低质量电源谐波带来的附加杂散损耗的影响,其主要包括谐波磁场在定子绕组端部、转子端部所产生的定、转子铁耗以及转子斜槽时漏磁的额外损耗。根据相关文献查询,变频器低质量电源供电产生的附加损耗一般会让电动机的效率降低1%～3%,对于不同的供电方式、不同容量和电动机负载不同,电动机效率降低的大小也会存在一定差异。根据现有文献可知,供电谐波对电动机的铁耗以及定子铜耗影响相对较小,但是对转子铜耗影响较大,因此在电动机电磁设计计算过程中,电动机转子铜耗的计算一定要有足够的精度和余量。

1.6 增加滤波器来提升变频器电源质量

变频器与电动机之间增加滤波器可减小高频开关电压的振幅和du/dt值,而不过度影响电机端的低频合成电压。总的影响取决于应用场合以及电机和滤波器的尺寸。为避免增加电机的基波电流损耗,应考虑电机端有滤波器电压降引起的电压下降。同样,滤波器中也会有损耗,但这一损耗通常比由变频器供电引起的电机附加损耗值要小,所以PDS的总体效率将会得到提高。除了降低由变频器供电引起的电机附加损耗,滤波器还对减少电机绕组上的电压应力、降低转矩脉动、改善电磁兼容性能有显著好处。

2 变频调速三相异步电动机的设计处理

2.1 提升零部件加工精度,做好铸铝转子与轴的配合处理,采用高品牌轴承,必要时尾端可采用进口绝缘轴承防止电机运行过程中产生的轴电压进而产生轴电流对电机轴承产生电蚀损坏。

2.2 调整电磁方案,提升电磁设计温升余量,防止电机运行过程中由于变频器的低质量电源对电动机温升的影响。

2.3 采用高品质防电晕的专用3级漆膜变频漆包线,严控下线质量及接线质量,根据电机中心高及容量大小加强槽绝缘、层间绝缘、相间绝缘等处理,首末匝线圈单独包扎绝缘、必要时端部采用端部大包形式绝缘处理,同时采用两次真空压力浸漆将槽内空间用浸渍漆填满,防止变频器的低质量电源对电动机绝缘系统的影响。

2.4 增加铁心叠压系数,提升铁心制造品质,减少横向电流损耗,采用斜槽设计结构以降低电机电磁噪声。

3 变频器增加带有滤波功能的电抗器以提升供电电源质量

不同品质的变频器供电,电源品质不尽相同,由于现场布线的长短、变频器品质的不同均会影响到供电电源的质量,电机本体是将电能转化为机械能,对供电电源的波形质量无选择性和过滤性,不论变频电机做何种绝缘处理均会受到低质量电源的冲击,变频电机设计制造过程中只能是加强绕组绝缘处理以抗击低质量电源冲击,绝缘系统将会不同程度的受损老化,属于自损型防御。同时加厚绝缘就意味着槽内导体的占积率减少,牺牲的自然是电机的性能。因此,考虑到用户的使用维护方便,需要在变频器侧增加自带滤波功能的电抗器,降低电机端子的电压瞬时升高值,减小低质量电源对电机绕组的冲击,从根本上消除低质量电源才是设备高质量运行的基础保障。

4 结语

随着变频技术的不断发展,变频器供电电源质量将会越来越好,对电动机以及整体系统的再升级提供根本技术保证。电动机绕组绝缘材料的提升也将会使电动机绕组耐击穿能力越来越强,使用寿命也将越来越长,为中国工业高质量发展保驾护航。