二電平變頻器輸出對電動機(jī)的影響及應(yīng)對措施
潘星，盧嘉華
(浙江省電力試驗(yàn)研究院，浙江杭州310014)
摘要：介紹了二電平變頻器供電對電動機(jī)產(chǎn)生的不良影響，采崩仿真數(shù)據(jù)說明變頻供電出現(xiàn)電機(jī)端尖峰電壓的特點(diǎn)，就改善變頻供電電動機(jī)溫升偏高及機(jī)端電壓尖峰問題提出應(yīng)對措施，并現(xiàn)場實(shí)測改善效果。
關(guān)鍵詞：變頻器；諧波；電機(jī)
中國分類號：TM 92l 51文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673~540(20t0)054)0374)5
0 引言
變頻器主要應(yīng)用于=交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，足理想的調(diào)速方案。變頻調(diào)速以其自身所具有的調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)好、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，在許多需要精確速度控制的應(yīng)用中發(fā)揮著提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的作用[1]。
變頻器輸出的電壓電流波形是由開關(guān)元件通過一系列的控制調(diào)制而成，與****的正弦交流波形存在較大差異，變頻器輸出電壓的非線性、脈沖性、重復(fù)性等特征嚴(yán)承惡化了電動機(jī)的電氣運(yùn)行環(huán)境，容易造成電機(jī)溫升噪聲增加、絕緣老化加劇等不良后果，縮短電機(jī)使用壽命，甚至破壞電機(jī)絕緣，造成電機(jī)損壞。
l 電壓源型高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
文獻(xiàn)[2-3]中關(guān)于各類變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有較全面的描述。圖1為電壓源型變頻器的基本結(jié)構(gòu)，采用二電平逆變方式，電路控制簡單、技術(shù)成熟、體積小、成本低，可廣泛應(yīng)用于軋機(jī)、起重機(jī)、電力機(jī)車牽引、船舶主傳動、風(fēng)機(jī)、水泵等。但二電平逆變存在對單管的耐壓要求高，日輸出電壓的du／dt大、所含低次諧波分量相對較高等問題。
圖2是三相二極管鉗位三電平逆變器主電路，三電平結(jié)構(gòu)變頻器的轉(zhuǎn)矩紋波和電機(jī)噪聲較低，對電機(jī)絕緣無損害，典型應(yīng)用于風(fēng)機(jī)水泵、傳送帶驅(qū)動、礦石粉碎機(jī)、軋機(jī)、擠壓機(jī)、窯傳動等。但其開關(guān)元件一般采用GTO或IGCT器件，需要復(fù)雜的緩沖電路和門極觸發(fā)電路，輸出電壓波形畸變嚴(yán)重。
圖3為多電平串聯(lián)的H橋逆變器結(jié)構(gòu)，采用低壓絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，輸出波形****無
諧波，轉(zhuǎn)矩紋波和電機(jī)噪聲較低，對電機(jī)絕緣無損害，典型應(yīng)用于風(fēng)機(jī)和水泵調(diào)速=但其器件多，使得可靠性差，節(jié)點(diǎn)多增加連接難題，大量變壓器使電氣窒的空間和散熱成為問題。
二電平結(jié)構(gòu)的不利因素使其在高電壓等級中的應(yīng)用受到一定限制，人們通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多重化來實(shí)現(xiàn)高壓逆變器的應(yīng)用，但由于多重化結(jié)構(gòu)器件較多，帶來了制造成本高、可靠性差、主要一次設(shè)備的連接及散熱困難等問題。因此，現(xiàn)階段在常規(guī)IGBT****反向耐壓允許范圍內(nèi)(1 000～1200 V)，二電平逆變變頻器仍是****。
2諧波和溫升問題及其應(yīng)對措施
變頻器供電電壓波形均為非正弦波，存在一系列高次諧波電壓，高次諧波電壓會使電機(jī)產(chǎn)生附加銅損、鐵損、附加機(jī)械損耗等，諧波產(chǎn)生的集膚效應(yīng)使轉(zhuǎn)子電阻增加導(dǎo)致轉(zhuǎn)差銅耗顯著增加，這些附加損耗導(dǎo)致電機(jī)有額外溫升，電機(jī)往往要降額使用。
逆變回路采用多電平技術(shù)，一定程度上可改善變頻器輸出諧波，如將兩組二電平逆變同路自流側(cè)并聯(lián)，導(dǎo)通角為θ，移相角為 φ，設(shè)逆變輸出分別為U1和U2，分別如式(1)、(2)所示：
根據(jù)式(1)～(3)，選擇合適的導(dǎo)通角θ和移相角φ，可使得輸出電壓u選擇性的消除一部分諧波。安裝濾波器也是抑制諧波的常用辦法之一，但在變頻器輸出側(cè)采用濾波器僅適盧電壓、頻率都恒定的控制方式，對于輸出電壓和頻率變化的情況，很少采用濾波器。
變頻器采用正弦脈寬調(diào)制(s阿M)逆變對于減少低次諧波輸入有較好效果[4-5]，理論計(jì)算汪明，當(dāng)調(diào)制波頻率為f1，載波頻率為fc(fc>ft)時，輸出電壓半周的脈沖數(shù)為p=fc／(2f)，sPwM波形中(2p一1)次以下諧波均能被消除或抑制，提高開關(guān)器件的開關(guān)頻率可有效降低諧波電壓總畸變率。
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