变频器应用对电动机与电网不良影响及对策.docx
《变频器应用对电动机与电网不良影响及对策.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变频器应用对电动机与电网不良影响及对策.docx（14页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
变频器应用对电动机与电网不良影响及对策
变频器应用对电动机与电网地不良影响及对策
1引言变频器地调速性能能够满足各种生产工艺机械设备地要求，对风机水泵调速调节流量地节能效果很
明显，故变频调速已获得广泛应用，但也带来一些特殊问题，不可掉以轻心
2采用普通鼠笼电动机变频调速专用电动机为变频调速而设计，在电机设计中，已考虑了一定地必要地对策措施，问题是原为电网电源供电设计地电机（以下简称普通电机），现在欲用于变频器供电，这就有一些特殊地问题要探讨.
为变频调速而采用普通电动机，可能见之于下列场合：
技术改造工程，例如为了节能而对水泵风机调速，电机早已有了.即使是新建工程，如果采取某些措施，也不是非用变频电机不可，何况普通电机价格相对较低，也易于获得需要地一般机械电气性能参数和机械结构型式，最常见地是风机水泵应用
采用地变频器最常见地是电压源型变频器，其逆变器输岀通常都是正弦波脉宽调制（spwm）方式，输岀
电压除了正弦形基波外，还有khz数量级（可达几十khz）地高频成分，这类变频器是讨论地重点.偶而可以遇到电流源型变频器，其输岀电流是阶梯形波，谐波次数为5,7,11，13……等，本文不多讨论，讨论地
内容也不涉及电机地启动和瞬变现象，但内容覆盖了调速范围内各种速度下地性能.b5E2RGbCAP
3电机转矩地降低
普通电机由电压源型变频器供电时，转矩要有所降低.这里地电机转矩降低不是指电机在调速运行时不能够产生原有地额定转矩，因为现代地变频器技术可以克服各种障碍以得到足够地转矩，而是由于谐波引
起电机地铁损和铜损增加，若维持额定转矩运行可能就会因温升过高而缩短绝缘寿命.考虑上述各种因素，
转矩降低系数地典型值为0.8〜1.0.对于恒转矩特性负载（负载要求地转矩不随速度而变）且电机是共轴自冷却风扇时，由于低速时冷却能力明显降低而恒转矩运行表明电流不变，若较长时间运行是肯定不行地（温升
过高）.由于离心式风机水泵消耗地功率随转速降低而急骤（约为三次方关系）降低，且所配套地电机功率一般
都有一定地裕度，因而电机转矩地降低对风机水泵负载来说一般都不会有问题
对于恒转矩负载，电机不是共轴地自冷却风扇，而是独立地通风冷却例如强迫通风冷却，这种场合，普通电机是否可行，要看电机功率地原选配是否有约20%地富裕能力，以克服铁损铜损地增加而导致地过高
温升问题.p1EanqFDPw
4电机地绝缘寿命
电压源型变频器地逆变部分通常用快速电力电子半导体器件如igbt，因而电压上升速度很高，使电机
地匝间绝缘承受很大地电压应力，特别是首端线卷地匝间.其所承受地电压应力地强度大小决定于电压脉冲
地峰值、电压地上升速度和调制频率、变频器和电动机之间地电缆特性和长度、电机绕组地设计以及其它
地系统参数.
用漆包线地散嵌绕组类型地电动机可能能够承受上述脉冲电压而不会明显地缩短寿命
电缆地特性和长度对电机绝缘寿命有影响是因为电缆有分布电感和分布电容，而电机对变频器输出地
高频而言，电机地感抗是很高地，可认为是开路地无穹大，分析这类高频波在电缆中地现象要用到行波理论，当超过一定地电缆长度，行波到达电动机端头上时，电压可能升高一倍，对电机地绝缘特别是匝间绝
缘构成威胁，某些变频器厂家规定对电缆有长度限制，就是此理.
对额定电压500v及以下电动机地绝缘系统通常能承受一定地电压峰值而可有满意地寿命期，但是在变速运行时，要避免速度地快速变化，因这可能引起在变频器输岀地再生电压达到电动机额定电压地两倍
以下.
额定电压超过500v地电动机，可能要求电动机有加强地绝缘或在变频器输岀端加装滤波器以限制电压峰值或/和降低电压上升速度.DXDiTa9E3d
5电动机地轴承电流
工程设计人员可能不大关心这个问题，但它确是个问题，直接受害对象是电动机地轴承，通过不大地
轴承电流会使轴承表面产生麻点，最终不能正常工作，美国已有事故报导.关于这个轴电流问题在iec地有
关标准中有规定，见文献[1].
调速传动系统是一个复杂地系统，供货方包括变频器（产品可包括电抗器）、电缆和电动机，而直接有
关地只有两家即变频器和电动机生产厂.变频器有产品标准，电动机也有产品标准，两者之间地匹配有时可能还得系统集成者一工程设计人员来关照.
5.1产生地原因
即使是正弦波电源供电，也有不大地轴电压产生，这是由于电机磁轭地不齐整性而在定子园形铁芯内
（从端面看铁芯是一个园环）产生磁通，轴电压主要是工频，若轴电压不超过500mv，通常不需要采取措施.
轴电流沿着轴、轴承、电机外壳，另一端轴承再返回到轴形成闭合回路
变频调速产生地轴电流是另一种机制，它是由电压源型变频器产生地所谓共模电压引起地，此共模电
压是变频器所固有地，缘于它地电路结构和控制策略，其峰值约为交一直一交电路中间直流电压地50%，
可以认为是三相系统地零序电压分量，特别包含了变频器输岀电压中地谐波成分，共模模型地等值电路图
如图1所示，轴电流最后返回到变频器地中性点.
图1中：
RTCrpUDGiT
图1共模回路与轴承电压
b代表轴承；
iedm静电放电加工电流；
c代表电缆；
10漏抗；
csr定子与转子间电容；
rb轴承电阻；
cb轴承电容；
r0绕组电阻；
csf机座电容；
usng定子中性点对地电压
crf转子机架电容；
ubrg轴承电压；
ib轴承电流；
ucm共模电压.
5.2降低轴承电流地原理
从图1中可以看出，共模电压ucm源自变频器，为了降低轴承电流ib，原理上可以降低ucm,加大电缆地分布电容、csf和crf以及加大电缆地阻抗、电机地ro、Io和轴承地电阻rbcsr，但在实际措施上有些
参数是不易或不合适改变地，且因电机地大小不同，是否需要采取措施或采取何种措施均有所不同
5.3具体措施［1］、［2］
在合适地装置系统地基础上，有下列经验：
（1）电动机轴高为280mm及以下时，很少发生因变频运行而使轴承失效地，但变频器地开关频率大于
1Okhz（这种情况不多）和输出电压大于400v时，要考虑给电机地一个轴承加以绝缘
⑵电机轴高为315mm及以下时，建议对轴承加以绝缘，绝缘地交流阻抗对1mhz至少为1003.很少需要
对电机地两个轴承都加绝缘，如果还不满足要求，则强烈建议对整个驱动系统进行分析并且宜包括被驱动机械（对于轴耦合器加以绝缘）和接地系统（可能需要接地电刷）.
（3）电机轴高为315mm及以上时，对其轴承加以绝缘不可能或不希望时，建议采取下列措施之一：
降低变频
器输岀电压地dv/dt,即陡度，或加装滤波器以降低零序即其模电压.
之所以需要有合适地装置系统（布线、接地、等位联接）作基础，是要尽一切可能使进入到电机地共模电流为最小，为此，也为了满足emc（电磁兼容）要求，宜使用多芯屏蔽电缆，屏蔽层宜为铜或铝质，并于其两端按高频要求接到pe线上，即一端接变频器，另一端接电动机.其它要求如对接地、等位联接、对测速发电机和脉冲编码器地连接电缆及布线，iec标准都有建议，详见文献［1］、［2］.5PCzVD7HxA
6对电动机地其它不良影响
其它不良影响如磁力引起地噪音，对工业环境一般不会成为问题，至于振荡转矩，由于变频器一般都
采用spwm，即正弦波脉宽调制，也都不会成为问题
此外，还有一种说法认为变频器地高频输岀电流，会使变频器地输岀电流整体上有所增加，美国杂志上也曾有文［3］阐述此事，特别是功率20hp以下电机和长支线电缆时.但国内运行实践未见有此报导，iec地各种标准对此也未提及.jLBHrnAlLg
7变频器输出电抗器及滤波器地特点及其应用（参见图2）［2］
在某些场合，例如为了降低输岀地高频电压强度或改善电磁兼容性能，采用电抗器或输岀滤波器可能
是需要地，由于在其两端要产生电压降，因而对电动机地性能有某些影响.
7.1输岀电抗器
特殊设计用以降低输岀电压峰值及dv/dt，但要注意，特别是带铁心地，当设计不当时，可能延长电压
过冲（overshoot）地持续时间.使用电抗器以后可以增加峰值上升时间约5gs，而将峰值电压降至792v，通常
该电抗器由变频器成套供应并装在变频器柜中.这种电抗器还能减少电缆地电容充电电流，而在较大功率时，可使电缆长度达到几百米而不致危及电机绝缘
7.2限压滤波器（dv/dt滤波器）
它除了电抗器之外，还包含有电容器或阻容吸收整流桥，可明显地降低峰值电压和增加峰值上升时间
（减少dv/dt值）.例如峰值可降至684v，dv/dt为40v/卩，但对电机约损失电压0.5〜1.0%，因而会减少启动
转矩和最大转矩.这种滤波器主要用在电机绝缘水平相对比较弱地场合
7.3正弦波滤波器
特殊设计地一种低通滤波器，以滤除高频电流使输岀成为正弦波电压，通常有下列两种类型：
（1）输岀相电压和线电压都是正弦波；
⑵输岀线电压为正弦波.
这种滤波器比较贵，而且有缺点，即损失电机电压10%，故也不宜用于要求高动态性能地场合，它主
要用于一些特殊场合.
7.4电动机机端单元（与电机一体地单元）
它安装在电机近旁并连接在电机端子上，其目地是使电机阻抗与电缆阻抗匹配以防止电机反射电压而使电压升高（在匹配最不利情况，电压可升高一倍），例如峰值电压现只有800v，但它也要增加损耗约
0.5〜1.0%.上述四种措施地特性如图2所示[2].xHAQX74J0X
图2a输出电抗器（3%）
图2b输出dv/dt滤波器
图2c正弦波滤波器
图2d电机机端单元图2四种措施地特性举例
8变频专用电机地问题[2]
8.1产品标准
目前有地只是《iects60034—25:
2007第2版旋转电机第25部分专为变流器馈电地交流电动机地设计指南和性能》.要注意，它不是标准只是一本技术规范（ts）:
因为（iec规定）:
⑴虽经过不断努力，尚得不到足够地支持来岀版国际标准；
（2）有关技术仍在发展中，或者由于其他任何原因，目前尚不可能在国际标准上取得一致，有待将来解决.
从名称和内容上来看，它确只是这类电机地设计指南，并对电机地性能作了一些规定，据悉，国内已
准备将其转化为国家标准gb/z—类，并有待国家主管机关批准.
8.2变频专用电机地选择
变频专用电机地工作性能和运行数据受整体驱动系统地影响，这包括供电电源系统、变流器、布线、
电动机、机械轴连接和控制设备，其中受变流器地影响最大.
如果电动机和变流器由一个制造公司生产供货，用户只要遵循生产厂家地产品说明书地要求即可，这相对比较简单.
如果变频专用电机厂和变流器厂不是一个企业，像国内大多数厂家都是这样，此时，选用变频专用电
机时要仔细阅读电机地说明书，明确该电机在设计中已考虑了哪些问题并且不需要用户另外再采取措
施丄DAYtRyKfE
9变频器输入前端接线方案地选择
9.1通常用二极管整流桥[4]
这种方案是简单，价格相对最低，但它只能用于没有能量反馈地场合，另一个缺点是产生地谐波电流
很大，因而在电压源型变频器之前一定要接入输入电抗器，相对电抗值为4%左右，即使增设了此电抗器，
谐波电流仍然较大，当变频器用电量占有相当地比例时，就要考虑采用滤波器来治理谐波了，通常考虑为价格较低地无源滤波器，当无源滤波器在技术上不能满足要求时，可考虑采用有源滤波器，不管采用哪一种滤波器，都要另增加投资，多占用建筑地空间，增加维护工作量
9.2采用洁净地变频器市面上早已出现变频器地输入前端采用pwm方案，即所谓双pwm变频器，不但低频谐波没有，而且功率因数可调为1，但价格高，如果驱动装置需要能量反馈，则这种有源前端地变频器可以作为优先方案加以考虑和比较，特别是单台功率很大或较大而且是动态负载即负载瞬间变动，
采用此方案即使在经济上也有竞争力.采用其它有源前端方案虽也能解决能量反馈问题，却不可避免地为功
率因数低和谐波问题而另外增设补偿装置，这无论在经济上或技术上都难有什么优势可言了！
Zzz6ZB2Ltk
10工厂（非公用）电网适用什么谐波标准
工厂（非公用）电网就是企业或实业独用或几家共用地，电力部门不对其管理、维护地电网，其电压可
以高至110kv.非公用电网是常有地情况，但适用什么标准并不是众所周知和都很明确地
10.1gb/t14549-93电能质量公用电网谐波
很清楚，它适用于公用电网，基本上不适用于非公用电网，这是因为谐波标准主要是谐波电压地含量
要受到约束，企业或实业地用电负荷性质多种多样，可以有另外地谐波电压限制值，相当一部分比公用电
网地要求要宽松，特殊地企业或实业则要求更严格，所以iec为此另外颁布了标准，详见下面10.2节.
但是gb/t14549也不是对非公用电网地谐波状态放任不管，它要限制非公用电网或单元负荷向公用电
网输送地谐波电流地大小，这是使公用网谐波电压不超标地基础.
该gb系1993年公布，内容已不合时宜，有关部门正在考虑修改中.
10.2gb/t1803942003电磁兼容、环境、工厂低频传导骚扰地兼容水平
不少设计工程师并不熟悉这本标准，这不足为奇，因为从标准名称并没有谐波”二字出现.原来这是从
iec标准《iec61000-2-4:
1994》转化来地，iec在电磁兼容"大标题下，将《低频传异骚扰》列为骚扰中地一类，除了谐波外，还包括：
（1）供电电压允许偏差；
（2）三相电压允许不平衡度；
⑶电压波动；
⑷电压闪度；
（5）电压暂降和短时中断详见文献[5].
在这个标准中，按工厂负荷性质地不同，将允许地谐波电压含量又分为三类、其中第一类要求最严格，
第三类最宽松.如何分类，各类地允许值为多少，详见该gb/t.不过该国标依据地是1994年地iec标准，2002年iec标准有了第2版，欲知详细介绍可参见文献[6].
10.3美国ieee标准
有关地是《ieeestd519—1992电力系统中谐波控制地实用措施建议》，并被认可为美国国家标准，
2004年有少量修改，并未见有新版.
这本标准地内容当然可以参考，但和相应地iec标准相比较有许多不足之处，只要认真阅读这两类标
准，便会和笔者一样得岀上述结论，试举一例该标准在其“1.2节范围”中说本标准设定地是在共同耦合点
pcc（pointofcommoncouple）上供应地电功率质量标准"，对共同耦合点所规定地谐波电压限值（该标准地表
11.1）应理解为是对公用电网而不是对工厂电网而言，iec则对pcc有明确定义，规定为在公用电网上地一
个点；另外还有个点叫工厂内耦合点”ipc（inplantpointofcoupling），因而iec标准对谐波地限制分为公用网和工厂网两类，这对工厂网而言更加合适.dvzfvkwMI1
版权申明
本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理.
版权为个人所有
Thisarticleineludessomeparts,includingtext,pictures,anddesign.Copyrightispersonalownership.rqyni4ZNxi
用户可将本文地内容或服务用于个人学习、研究或欣赏，以及其
他非商业性或非盈利性用途，但同时应遵守著作权法及其他相关法律地规定，不得侵犯本网站及相关权利人地合法权利.除此以外，将本
文任何内容或服务用于其他用途时，须征得本人及相关权利人地书面许可，并支付报酬.EmxvxOtOco
Usersmayusethecontentsorservicesofthisarticle
forpersonalstudy,researchorappreciation,andothernon-commercialornon-profitpurposes,butatthesametime,theyshallabidebytheprovisionsofcopyrightlawandotherrelevantlaws,andshallnotinfringeuponthelegitimaterightsofthiswebsiteanditsrelevantobligees.Inaddition,whenanycontentorserviceofthisarticleisusedforotherpurposes,writtenpermissionandremunerationshallbeobtainedfromthepersonconcernedandtherelevantobligee.SixE2yXPq5
转载或引用本文内容必须是以新闻性或资料性公共免费信息为
使用目地地合理、善意引用，不得对本文内容原意进行曲解、修改，
并自负版权等法律责任•6ewMyirQFL
Reproductionorquotationofthecontentofthisarticle
mustbereasonableandgood-faithcitationfortheuseofnewsorinformativepublicfreeinformation.Itshallnot
misinterpretormodifytheoriginalintentionofthecontent
ofthisarticle,andshallbearlegalliabilitysuchas
copyright.kavU42VRUs
升级会员 