變頻電機供電電源質量分析

崔天瑞,王安國

(佳木斯電機股份有限公司,黑龍江佳木斯154002)

0 引言

進入21世紀以來,隨著系統集成與變頻技術的快速發展,對于調速精度要求較高的設備上漸漸出現了變頻調速三相異步電動機的身影。變頻調速三相異步電動機擁有調速精度高、變頻范圍廣、低頻轉矩大、運行效率高等諸多優點,因此工業上包括石油、石化在內的大部分企業對變頻調速三相異步電動機愈加青睞。變頻調速三相異步電動機是以變頻器供電,那么變頻器供電電源質量的好壞對電動機的絕緣系統穩定性有著至關重要的影響,同時變頻器供電的低質量電源對變頻調速三相異步電動機的振動、噪聲、溫升以及附加損耗方面均有這影響,因此解決變頻器供電電源的質量以及對變頻調速三相異步電動機的絕緣處理就尤為重要,是提升整體運行系統的關鍵性問題。

1 變頻器控制電路原理

圖1為變頻器電源供電使電動機運行的基本原理圖,基本原理圖包括主電路和控制電路上下兩部分,變頻器由核心部件CPU、輸入及輸出信號、操作板、存儲器和電路等組成,其中外接電位器模擬信號通過模數轉換傳入CPU,以調整電動機運行轉速。

圖1 變頻器電源供電使電動機運行的基本原理圖

1.1 變頻器的低質量電源對電動機振動的影響

變頻器供電電源的波形不能完全形成正弦波進入電動機端子,較差的供電質量將會在電動機軸上形成振蕩轉矩,造成電動機運行過程中的振動值增加。變頻器供電時的電源質量將會產生直流分量和負序分量,隨之會帶來基頻轉矩分量,在設備運行過程中要加以預防。由于直流分量和負序分量會對電阻以及短路電抗產生影響,所以即使變頻器供電時輸出非常小的不對稱的電壓也會產生極其大的不對稱的電流,進而對電動機的振動產成極大的影響。

1.2 變頻器的低質量電源對電動機溫升的影響

變頻器供電電源質量差,即變頻器供電輸出的電源并非嚴格意義上的正弦波,此時電動機除所需的基波外還會存在對電動機造成額外損耗的波形。這些附加損耗的大小取決于變頻器輸出電壓波形的好壞,如果在變頻器和電動機之間沒有增加帶有濾波功能的電抗器,這些附加損耗將無法避免或減小,額外的損耗將會以熱能的形式散發,因此可引起電動機運行時溫升升高。

1.3 變頻器的低質量電源對電動機絕緣的影響

電纜長度超過100m或沒有串聯濾波器,輸出電壓中的高次諧波如果直接加在電動機上會對繞組產生沖擊,電動機接線盒中的接線端子將會承受非常大的電壓上升率,也就意味著電機繞組的首匝線圈將被施加非常大的電壓值,極有可能使電動機定子繞組線圈匝間擊穿,造成電動機故障。同時,如此大的電壓值疊加在電動機的供電電壓上,電動機的對地絕緣也將受到很大的沖擊,會加速絕緣系統的老化速度,對電動機造成不可逆的破壞。

1.4 變頻器的低質量電源對電動機噪聲的影響

電動機運行過程中是電磁轉換的過程,電機運行過程中存在磁場即會存在電磁噪聲,只是在電機設計階段和制造階段會有效的減少電磁噪聲。電動機運行過程中所產生的電磁噪聲和定、轉子氣隙產生相互作用力有關,同時與電動機表面的聲輻射特性有著密不可分的關聯。因此減小電磁噪聲可以從電磁結構調整和抑制輻射兩個方面入手。第一,在電磁設計時選擇適當的定、轉子槽配合;第二,定子或轉子斜槽可使徑向力沿電機軸向方向發生位移,使徑向力降低,從而降低電動機的電磁噪聲。

電動機電磁噪聲和軸承異響與電源頻率以及諧波分量有著密不可分的關聯,變頻器供電和普通電源供電相對比時,供電頻率超過3kHz時,變頻器供電的噪聲增量小,當供電頻率相對較低時,變頻器供電所引起的噪聲增量大。

1.5 變頻器的低質量電源諧波產生附加的雜散損耗影響

變頻器的低質量電源除了對電動機的振動、電動機的溫升、電動機的絕緣系統以及電動機的運行噪聲有影響以外,還需要考慮變頻器低質量電源諧波帶來的附加雜散損耗的影響,其主要包括諧波磁場在定子繞組端部、轉子端部所產生的定、轉子鐵耗以及轉子斜槽時漏磁的額外損耗。根據相關文獻查詢,變頻器低質量電源供電產生的附加損耗一般會讓電動機的效率降低1%～3%,對于不同的供電方式、不同容量和電動機負載不同,電動機效率降低的大小也會存在一定差異。根據現有文獻可知,供電諧波對電動機的鐵耗以及定子銅耗影響相對較小,但是對轉子銅耗影響較大,因此在電動機電磁設計計算過程中,電動機轉子銅耗的計算一定要有足夠的精度和余量。

1.6 增加濾波器來提升變頻器電源質量

變頻器與電動機之間增加濾波器可減小高頻開關電壓的振幅和du/dt值,而不過度影響電機端的低頻合成電壓?？偟挠绊懭Q于應用場合以及電機和濾波器的尺寸。為避免增加電機的基波電流損耗,應考慮電機端有濾波器電壓降引起的電壓下降。同樣,濾波器中也會有損耗,但這一損耗通常比由變頻器供電引起的電機附加損耗值要小,所以PDS的總體效率將會得到提高。除了降低由變頻器供電引起的電機附加損耗,濾波器還對減少電機繞組上的電壓應力、降低轉矩脈動、改善電磁兼容性能有顯著好處。

2 變頻調速三相異步電動機的設計處理

2.1 提升零部件加工精度,做好鑄鋁轉子與軸的配合處理,采用高品牌軸承,必要時尾端可采用進口絕緣軸承防止電機運行過程中產生的軸電壓進而產生軸電流對電機軸承產生電蝕損壞。

2.2 調整電磁方案,提升電磁設計溫升余量,防止電機運行過程中由于變頻器的低質量電源對電動機溫升的影響。

2.3 采用高品質防電暈的專用3級漆膜變頻漆包線,嚴控下線質量及接線質量,根據電機中心高及容量大小加強槽絕緣、層間絕緣、相間絕緣等處理,首末匝線圈單獨包扎絕緣、必要時端部采用端部大包形式絕緣處理,同時采用兩次真空壓力浸漆將槽內空間用浸漬漆填滿,防止變頻器的低質量電源對電動機絕緣系統的影響。

2.4 增加鐵心疊壓系數,提升鐵心制造品質,減少橫向電流損耗,采用斜槽設計結構以降低電機電磁噪聲。

3 變頻器增加帶有濾波功能的電抗器以提升供電電源質量

不同品質的變頻器供電,電源品質不盡相同,由于現場布線的長短、變頻器品質的不同均會影響到供電電源的質量,電機本體是將電能轉化為機械能,對供電電源的波形質量無選擇性和過濾性,不論變頻電機做何種絕緣處理均會受到低質量電源的沖擊,變頻電機設計制造過程中只能是加強繞組絕緣處理以抗擊低質量電源沖擊,絕緣系統將會不同程度的受損老化,屬于自損型防御。同時加厚絕緣就意味著槽內導體的占積率減少,犧牲的自然是電機的性能。因此,考慮到用戶的使用維護方便,需要在變頻器側增加自帶濾波功能的電抗器,降低電機端子的電壓瞬時升高值,減小低質量電源對電機繞組的沖擊,從根本上消除低質量電源才是設備高質量運行的基礎保障。

4 結語

隨著變頻技術的不斷發展,變頻器供電電源質量將會越來越好,對電動機以及整體系統的再升級提供根本技術保證。電動機繞組絕緣材料的提升也將會使電動機繞組耐擊穿能力越來越強,使用壽命也將越來越長,為中國工業高質量發展保駕護航。