基于实践的高压变频器输出谐波对电动机的影响研究

目前, 高压变频器没有统一的电路拓扑结构, 由于变频器对电动机的影响主要取决于变频器逆变电路的结构和特性。因而, 不同电路拓扑结构的变频器对电动机的影响也是不同的。

1 输出谐波对电动机的影响

输出谐波对电动机的影响主要有谐波引起电动机附加发热、导致电动机额外温升, 电动机要降容使用;由于输出波形失真, 增加电动机的重复峰值电压, 影响电动机绝缘;同时, 谐波还会引起电动机转矩脉动、噪声增加。高次谐波引起的损耗增加主要表现在定子铜损耗、转子铜损耗、铁损耗以及附加损耗的增加。其中影响最为显著的是转子铜损耗, 因为电动机转子是以接近基波频率旋转速度旋转的, 因此对于高次谐波电压来说, 转子总是在转差率接近1的状态下旋转, 所以转子铜损耗较大, 而且在这种情况下, 除了直流电阻引起的铜损耗外, 还必须考虑由于肌肤效应所产生的实际阻抗增加而引起的铜损耗。

普通的电流源型变频器输出电流波形和输入电流波形极为相似, 都是120度的方波, 含有较大的谐波成分, 总谐波电流可以达到30%左右。为了降低输出谐波, 也有采用输出12脉动方案或设置输出滤波器, 输出波形会有很大的改善, 但系统的成本和复杂性也会大大的增加。输出滤波器换相式电流型变频器固有的滤波器可以起到一定的滤波作用, 所以速度较高时, 电动机电流波形有所改善。GTO-PWM电流源型变频器输出电流质量的提高主要通过G T O采用谐波消除的电流PWM开关模式来实现, 但受到GTO开关频率上限的限制。

三电平变频器与普通的电平PWM变频器相比, 由于输出相电压电平数增加, 每个电平幅值相对下降, 提高了输出电压谐波消除算法的自由度, 在相同开关频率的前提下, 可使输出波形质量比二电平PWM变频器有较大的提高, 但输出因谐波使电压波形失真仍达29%, 电动机电流谐波失真达17%, 必须采用专用的电动机, 如果采用普通电动机, 必须设置输出滤波器。

基波旋转磁动势和6倍频率的转子谐波电流共同作用, 产生6倍频的脉动转矩所以6脉动输出电流源型变频器含有较大的6倍频率脉动转矩。电流源型变频器采用12脉动多重化后, 输出电流波形有较大改善, 由于5次和7次谐波基本抵消, 6倍频率脉动转矩大大降低, 剩下的主要为12倍频率的脉动转矩, 总的转矩脉动明显降低。脉动转矩在低速时对电动机转速的影响尤为明显。对三相电动机而言, 由于6n±1次谐波存在, 产生的电磁转矩为。

电动机的转速脉动有以下规律:转速脉动频率分别为电动机基波角频率ω1的6n倍, 其幅值与变频器输出的基波角频率ω1 (或频率f) 成反比, 即输出频率 (或电动机转速) 越低, 转速波动越大, 也就是说, 电动机在低速运行情况下, 为了使转速波动量维持在同一水平, 对输出谐波抑制的要求更高。转速脉动幅值与变频器输出的谐波次数n成反比, 即低次谐波所引起的转速脉动比高次谐波的影响更大。所以, 要使电动机的转速脉动较小, 首先要消除或抑制变频器输出的低次谐波, 采用高频PWM方法, 将输出谐波往高频推移, 不失为减少转速脉动的有效办法。三电平变频器在不采用输出滤波器时, 也会产生较大的转矩脉动, 采用输出滤波器后, 转矩脉动可大大降低。

2 输出du/dt对电动机的影响

由于PWM方式和高速电力电子器件的使用, 变频器输出电压变化率du/dt对电动机绝缘产生的影响越来越严重。du/dt取决于两个方面:一是电压跳变台阶的幅值它与变频器的电压等级和主电路结构有密切的关系;二是逆变器功率器件的开关速度, 开关速度越高, du/dt越大。普通的二电平和三电平PWM电压源型变频器由于输出电压跳变台阶较大, 相电压的跳变分别达到直流母线电压和一半的直流母线电压, 同时由于逆变器功率器件开关速度较快, 会产生较大的du/dt。高的du/dt相当于在电动机线圈上反复施加陡度很大的冲击电压, 使电动机绝缘承受严酷的电应力, 尤其当变频器输出与电动机之间电缆距离较长时, 由于线路分布电感和分布电容的存在, 会产生行波反射放大作用, 在参数适合时, 加到电动机绕组上的电压会成倍增加引起电动机绝缘损坏。所以这种变频器一般需要特殊设计的电动机, 电动机绝缘必须加强。如果要使用普通的电动机, 必须附加输出滤波器。

单元串联多电平变频器最大的相电压跳变等于一个单元的直流母线电压, 对6k V电压等级的变频器而言, 约为900V, 功率单元所用IGBT开通时电压上升时间为0.3us, du/dt约为3000V/us, MGI标准允许的范围为1us内从10%的相电压峰值变换到90%的相电压峰值, 对6 k V电动机而言, 约为3919V/us。所以说这类变频器输出du/dt很低, 使得电动机绝缘不会受到影响, 可以使用普通的异步电动机。

3 共模电压和轴电流对电动机的影响

共模电压 (也叫零序电压) , 是指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。

电流源型变频器逆变器的工作原理与整流器大致相同, 因此逆变器输入直流中心对电动机中心点的电压E m N波形与Um G波形大致相同, 只是Em N和Um G的频率不一样, 随着变频器输出频率的变化而变化。由于输出频率一般不等于电网频率, 且它们的频率不断变化, 所以共模电压UNG=UMg-Em N可以在某个时刻达到最大值。由于Em N和Um G的最大值都可以达到额定相电压峰值的50%, 所以共模电压最大可接近相电压的峰值, 如果电源的中心接地, 电动机的机壳也接地, 这样共模电压就施加到电动机定子绕组的中心点和机壳之间。这样高的共模电压使电动机绕组承受绝缘应力为电网直接运行情况下的2倍, 严重影响电动机绝缘。当没有输入变压器时, 共模电压会直接施加到电动机上, 增加绕组对地的电应力, 引起绝缘击穿, 影响电动机的使用寿命。如果设置输入变压器 (变压器二次侧中心不能接地) , 则共模电压有输入变压器和电动机共同承担, 按照输入变压器一次、二次绕组间的分布电容和电动机绕组对机壳的分布电容 (两个容抗串联) 进行分配。由于一般输入变压器的分布电容大大小于电动机绕组对机壳的分布电容 (比如前者为后者的1/10) , 这样约90%的共模电压由输入变压器来承担, 只要考虑加强输入变压器的绝缘即可, 而变压器的绝缘加强, 相对电动机要容易得多。

摘要：本文基于笔者多年从事变频器的相关研究, 以变频器对电动机有直接的影响为主要研究对象。分析探讨了高压变频器对电动机的影响及解决办法。全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：高压变频器,输出谐波,输出du/dt,电动机,影响