高压变频器

发布时间:2009-09-22 来源:扬子工具集团 浏览次数:46144

普通电流源型变频器的输出电流不是正弦波,而是120°的方波,电机的电磁转矩
除了平均转矩以外,还有脉动分量。脉动转矩的平均值为0,但它会使转子的转速不
均匀,产生脉动,在电机低速时,还会发生步进现象,在适当的条件下,可能引起电
机与负载组成的机械系统的共振。脉动转矩主要是由基波旋转磁通和转子谐波电流相
互作用产生的。在三相电机中,产生脉动转矩的主要是6n±1 次谐波。6 脉冲输出电流
源型变频器输出电流中含有丰富的5 次和7 次谐波,5 次谐波产生的旋转磁势与基波
旋转磁势反向,7 次谐波产生的旋转磁势与基波旋转磁势同向,而电机转子的电气旋
转速度基本接近基波磁势的旋转速度(二者的差别对应于电机的转差率),所以5 次谐
波磁势和7 次谐波磁势都会在电机转子中切割感应产生6 倍于基波频率的转子谐波电
流。基波旋转磁势和6 倍频的转子谐波电流共同作用,产生6 倍频的脉动转矩,所以
6 脉冲输出电流源型变频器含有较大的6 倍频脉动转矩。同样,11 次和13 次谐波电流
也会产生12 倍频的脉动转矩。图42 为6 脉冲输出电流源型变频器在输出频率为30HZ
时的转矩脉动值(图中纵坐标采用对数坐标)。电流源型变频器采用12 脉冲多重化后,
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,剩下主要为12 倍频的脉动转矩,总的转矩脉动明显降低。

图42 电流源型变频器转矩脉动
脉动转矩在低速时对电机转速的影响尤为明显。因为,对三相电机而言,由于
6n±1 次谐波存在,产生的电磁转矩为Σ∞
=
= + +
1
0 1 cos(6 )
n
m m M M M nω t ϕ ,
其中,Mm为转矩脉动分量的最大值, 1
ω 为变频器输出基波电压的角频率。
根据电机运动方程,可得由于谐波原因引起的电机转速的脉动分量为
∫Σ Σ∞
=

=
Δ = + = +
1
1
1 1
1 sin(6 )
6
1 cos(6 ) 1
n
m
m
n
m m n t
n
M
J
M n t
J
ω ϕ
ω
ω ω ϕ
由上式可知,电机的转速脉动有以下规律:转速脉动频率分别为电机基波角频率
1 ω
的6n 倍,其幅值与变频器输出的基波角频率1
ω (或频率f)成反比,即输出频率(或
电机转速)越低,转速波动越大,也就是说,电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
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,采取高频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,也会产生较大的脉动转矩,采用输出滤波
器后,转矩脉动可大大降低。
单元串联多电平变频器输出电流谐波较低,电机的转矩脉动分量极小,图43 显
示了单元串联多电平变频器在输出频率为30HZ 时转矩脉动值,各次脉动转矩都在
0.1%以下。

图43 单元串联多电平变频器转矩脉动
4.2.2 输出dv/dt 对电机的影响
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dv/dt 对电机
绝缘产生的影响问题也越来越严重。dv/dt 取决于二个方面,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关,二是逆变器功率器件的开关速度,开
关速度越高,dv/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dv/dt。高的dv/dt 相当于在电机线圈上反复施加陡度很大
的冲击电压,使电机绝缘承受严酷的电应力,尤其当变频器输出与电机之间电缆距离
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,加到电机绕组上的电压会成倍增加,引起电机绝缘损坏。所以这种变频器一般
需要特殊设计的电机,电机绝缘必须加强。如果要使用普通电机,必须附加输出滤波
器。在相同输出电压等级前提下,采用三电平结构后,相对二电平结构而言,输出
dv/dt 有所下降,但在不加输出滤波器时,仍不能符合MGI 的标准。
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6KV
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,dv/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6KV 电机而言,约为3919V/us。所以说这类变频器输出
dv/dt 很低,使得电机绝缘不会受到影响,可以使用普通的异步电机。而且由于输出
dv/dt 很低,不会产生长电缆时行波反射引起的dv/dt 放大问题,对输出电缆长度没
有特殊限制,目前使用的最长记录为20 公里。
4.2.3 共模电压和轴电流对电机的影响
共模电压(也叫零序电压),是指电机定子绕组的中心点和地之间的电压。图44
为典型的电流源型变频器示意图(不带输入变压器)。

图44 典型电流源型变频器结构图
由于上下直流母线的滤波电抗器大小相同,而且流过相同的电流,所以每个电抗
器上的压降也相同,因此以接地点G 为参考电平,各点电压符合以下关系,
pG pG nG nG V − E = E −V ,所以有pG nG pG nG V +V = E + E ,二边除以2,可得,
( ) ( ) mG pG nG pG nG mG V = V +V / 2 = E + E / 2 = E 。由于整流电路在同一时刻只有二相同时导
通,导致整流电路输出的直流中点电压不等于供电电源的中心点电压,即≠ 0 mG V 。图
45 是在晶闸管触发角为20°时的各点电压波形。中点电压mG V
按照电网电压三倍的频率进行变化,在晶闸管触发角为90°时幅值达到最大。
图45 电流源型变频器各点电压波形
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点
对电机中心点的电压mN E 波形与mG V 波形大致相同,只是mN E 的变化频率为变频器输
出频率的三倍,会随着变频器输出频率的变化而变化。由于mG mG mN NG V = E = E +V ,
所以共模电压NG mG mN V = V − E 。由于输出频率一般不等于电网频率,且不断变化,因
此mG V 和mN E 的组合可以导致共模电压在某一时刻会达到最大值。由于mG V 和mN E 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
果电源的中心点接地,电机的机壳也接地,这样共模电压就施加到电机定子绕组的中
心点和机壳之间。这样高的共模电压使电机绕组承受的绝缘应力为电网直接运行情况
下的2 倍,严重影响电机绝缘。图46 显示了一输出电压为4160V 的GTO 电流源型变频
器的共模电压波形。

图46 GTO 电流源型变频器的共模电压
当没有输入变压器时,共模电压会直接施加到电机上,增加绕组对地的电应力,
引起绝缘击穿,影响电机的使用寿命。如果设置输入变压器(变压器二次侧中点不能接
地),则共模电压由输入变压器和电机共同来承担,按照输入变压器原副边绕组间的分
布电容和电机绕组对机壳间的分布电容(二个容抗串联)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
的绝缘加强相对电机要容易得多。如果没有输入变压器,则电机绝缘必须加强,以承
受共模电压。比如4160V 额定电压的电机要求采用10KV 的绝缘设计,不能使用标准的
异步电机。MGI 允许6KV 电机可以承受的共模电压范围为:基波相电压峰值和共模电
压峰值之和不超过8.7KV。
PWM 变频器的共模电压中含有与开关频率相对应的高频分量,高频的电压分量会
通过输出电缆和电机的分布电容产生对地高频漏电流,影响逆变器功率电路的安全。
电机通过地产生的高频漏电流一部分是通过电定子绕组经定子绕组和机壳间的分布电
容,再经机壳流入地,另一部分是通过绕组和转子间的分布电容,经过轴承再到机
壳,然后到地。后者的作用相当于轴电流,会引起电机轴承的“电蚀”,影响轴承的
寿命。
4.2.4 电机设计和输出电缆选择方面的特殊问题
由于变频器输出谐波会引起电机附加温升,电机容量必须适当放大,热参数降低
使用。设计时,在可能的条件下,尽量减少定,转子电阻,以降低损耗。尤其是转子
电阻的减少,很有必要,因为转子铜耗在高次谐波所产生的损耗中占相当的比例,而
且采用变频运行后,已经不需要通过较大的转子电阻去获得足够的起动转矩。对于目
前应用广泛的电压源型变频器,为了抑制电流中的高次谐波,适当增加电机的电感是
必要的。设计时还应当考虑到高次谐波和低频时电压补偿作用产生的磁路饱和加深,
加大磁路设计裕量。普通电机采用自带风扇的冷却方式,在转速降低时,冷却风量跟
着降低,散热效果下降。对于风机,水泵等运行频率不低,且转矩随转速基本呈平方
关系下降的负载,由于在转速下降时负载电流跟着大大下降,发热下降,基本没有什
么问题。但对于运行频率较低,且低速时力矩较大的应用场合,应考虑电机强迫通
风,比如采用独立电源供电的冷却风机,或者水冷,甚至电机降额使用。谐波使电机
振动,噪声增加,电机应采取低噪声设计并避免可能产生的振动,临界转速必须避开
整个工作转速范围。转矩脉动产生的应力集中可能对电机部件引起损坏,电机关键部

位必须加强。采取绝缘轴承,在必要时轴上安装接地碳刷以避免轴电流对轴承的损
坏。
由于普通变频器输出波形中含有高次谐波成分,因集肤效应而使线路等效电阻增
加,同时,在逆变器输出低频时,输出电压跟着降低,线路压降占输出电压的相对比
例增加,因此输出电缆的截面积应当比普通接线时放大一级。
电流源型变频器由于存在输出谐波和共模电压对电机的影响等问题,电机需降额
使用和加强绝缘,且存在转矩脉动问题,使其应用受到限制。三电平电压源型变频器
存在输出谐波和dv/dt 等问题,一般要设置输出滤波器,否则必须使用专用电机。对
风机和水泵等一般不要求四象限运行的设备,单元串联多电平PWM 电压源型变频器在
输出谐波,dv/dt 等方面有明显的优势,对电机没有特殊的要求,可用于任何普通的
异步电机,且不必降额使用,具有较大的应用前景。
参考文献
1 陈伯时,陈敏逊编著. 交流调速系统 电气自动化新技术丛书.
北京:机械工业出版,1998
2 王兆安,杨君,刘进军编著. 谐波抑制和无功功率补偿
电气自动化新技术丛书. 北京:机械工业出版社,1998
3 竺伟,陈伯时. 高压变频调速技术. 电工技术杂志.1999(3)
4 Osman R. A Survey of Design Issues and Performace Characteristics
of Popular Medium-Voltage Induction Motor Drives. Proceedings
IPEMC’97
5 Hammond P. A New Approach to Enhance Power Quality for Medium
Voltage Drives.1995 IEEE/PCIC Conference Record
6 Robicon Corporation. Perfect Harmony User’s Manual.1998
7 马小亮. 大功率风机,泵节能调速发展方向探讨.电气传动.1999(1)
8 陈济群. GTO 三电平变频器电压空间矢量控制的数学表达式.
第五届中国交流电机调速传动学术会议论文集,三亚,1997
9 吴武军,张继椿. 以GTO 元件组成的逆变器调速系统在宝钢1580 热轧厂
的应用. 第四届中国交流电机调速传动学术会议论文集,大连,1995
10 许广锡. 新型多电平多电压制高压大功率变换器应用技术的研讨.
第九届全国电气自动化电控系统学术年会论文集,天津,1998
11 Loenhard W. Power Electronics and Microelectronics, Tools for
Future Electrical Energy Conversion. Proceedings IPEMC’97 


本文链接: http://www.yzgj.cn/yzgjcn_187.html
如需转载请注明:扬子工具轴承加热器http://www.yzgj.cn

本文章总7页 上一页 1 2 3 4 5 6 7

上一篇:液压扳手的最优化方法分析
下一编:钢材基础知识
轴承加热器相关知识
感应轴承加热器安装轴承的好处和优势及操作指南
轴承感应加热器主回路设计(基本结构与原理)
SKF轴承手册
高压变频器
轴承加热器和感应拆卸器在现代轴承装配和拆卸中的应用及注意事项
FAG轴承加热器,FAG感应加热器
轴承加热器相关产品(请点击产品名称查看详细资料)
自控轴承加热器(海力R-V/H-V2.2-150KW) - 轴承自控加热器(海力T-H3.6-120KW)(推荐)
微电脑轴承加热器(海力RA/YZDC3.6-120) - DC型轴承自控加热器(3.6-24KW)
轴承感应加热器(BGJ-4-5) - 感应加热器(BGJ-3-2) - 轴承数控加热器
齿轮快速加热器 - 齿轮加热器 - 齿圈加热器 - 多功能加热器 - 轮箍加热器
ZJ20X型轴承加热器(自动退磁) - 高频轴承加热器 - HA型轴承加热器
感应拆卸器 - BGJ-C感应拆卸器 - 液压拉马(海力F-L5-100T) - 电动拉马(海力L-S5-500T)
轴承加热器定制调查表(在括号中填上数据,并留下联系方法,最后再提交)
单位:
姓名:
电话:
传真:
手机:
邮箱: