變頻器應用對電動機與電網的不良影響及對策-

06-17

1　引言　　變頻器的調速性能能夠滿足各種生產工藝機械設備的要求，對風機水泵調速調節流量的節能效果很明顯，故變頻調速已獲得廣泛應用，但也帶來一些特殊問題，不可掉以輕心。

2　採用普通鼠籠電動機　　變頻調速專用電動機為變頻調速而設計，在電機設計中，已考慮了一定的必要的對策措施，問題是原為電網電源供電設計的電機(以下簡稱普通電機)，現在欲用於變頻器供電，這就有一些特殊的問題要探討。　　為變頻調速而採用普通電動機，可能見之於下列場合:技術改造工程，例如為了節能而對水泵風機調速，電機早已有了。即使是新建工程，如果採取某些措施，也不是非用變頻電機不可，何況普通電機價格相對較低，也易於獲得需要的一般機械電氣性能參數和機械結構型式，最常見的是風機水泵應用。　　採用的變頻器最常見的是電壓源型變頻器，其逆變器輸出通常都是正弦波脈寬調製(spwm)方式，輸出電壓除了正弦形基波外，還有khz數量級(可達幾十khz)的高頻成分，這類變頻器是討論的重點。偶而可以遇到電流源型變頻器，其輸出電流是階梯形波，諧波次數為5，7，11，13……等，本文不多討論，討論的內容也不涉及電機的啟動和瞬變現象，但內容覆蓋了調速範圍內各種速度下的性能。

3　電機轉矩的降低　　普通電機由電壓源型變頻器供電時，轉矩要有所降低。這裡的電機轉矩降低不是指電機在調速運行時不能夠產生原有的額定轉矩，因為現代的變頻器技術可以克服各種障礙以得到足夠的轉矩，而是由於諧波引起電機的鐵損和銅損增加，若維持額定轉矩運行可能就會因溫升過高而縮短絕緣壽命。考慮上述各種因素，轉矩降低係數的典型值為0.8~1.0。對於恆轉矩特性負載(負載要求的轉矩不隨速度而變)且電機是共軸自冷卻風扇時，由於低速時冷卻能力明顯降低而恆轉矩運行表明電流不變，若較長時間運行是肯定不行的(溫升過高)。由於離心式風機水泵消耗的功率隨轉速降低而急驟(約為三次方關係)降低，且所配套的電機功率一般都有一定的裕度，因而電機轉矩的降低對風機水泵負載來說一般都不會有問題。　　對於恆轉矩負載，電機不是共軸的自冷卻風扇，而是獨立的通風冷卻例如強迫通風冷卻，這種場合，普通電機是否可行,要看電機功率的原選配是否有約20%的富裕能力，以克服鐵損銅損的增加而導致的過高溫升問題。

4　電機的絕緣壽命　　電壓源型變頻器的逆變部分通常用快速電力電子半導體器件如igbt，因而電壓上升速度很高，使電機的匝間絕緣承受很大的電壓應力，特別是首端線卷的匝間。其所承受的電壓應力的強度大小決定於電壓脈衝的峰值、電壓的上升速度和調製頻率、變頻器和電動機之間的電纜特性和長度、電機繞組的設計以及其它的系統參數。　　用漆包線的散嵌繞組類型的電動機可能能夠承受上述脈衝電壓而不會明顯地縮短壽命。　　電纜的特性和長度對電機絕緣壽命有影響是因為電纜有分布電感和分布電容，而電機對變頻器輸出的高頻而言，電機的感抗是很高的，可認為是開路的無穹大，分析這類高頻波在電纜中的現象要用到行波理論，當超過一定的電纜長度，行波到達電動機端頭上時，電壓可能升高一倍，對電機的絕緣特別是匝間絕緣構成威脅，某些變頻器廠家規定對電纜有長度限制，就是此理。　　對額定電壓500v及以下電動機的絕緣系統通常能承受一定的電壓峰值而可有滿意的壽命期，但是在變速運行時，要避免速度的快速變化，因這可能引起在變頻器輸出的再生電壓達到電動機額定電壓的兩倍以下。　　額定電壓超過500v的電動機，可能要求電動機有加強的絕緣或在變頻器輸出端加裝濾波器以限制電壓峰值或/和降低電壓上升速度。

5　電動機的軸承電流　　工程設計人員可能不大關心這個問題，但它確是個問題，直接受害對象是電動機的軸承，通過不大的軸承電流會使軸承表面產生麻點，最終不能正常工作，美國已有事故報導。關於這個軸電流問題在iec的有關標準中有規定，見文獻[1]。　　調速傳動系統是一個複雜的系統，供貨方包括變頻器(產品可包括電抗器)、電纜和電動機，而直接有關的只有兩家即變頻器和電動機生產廠。變頻器有產品標準，電動機也有產品標準，兩者之間的匹配有時可能還得系統集成者—工程設計人員來關照。5.1　產生的原因　　即使是正弦波電源供電，也有不大的軸電壓產生，這是由於電機磁軛的不齊整性而在定子園形鐵芯內(從端面看鐵芯是一個園環)產生磁通，軸電壓主要是工頻，若軸電壓不超過500mv，通常不需要採取措施。軸電流沿著軸、軸承、電機外殼，另一端軸承再返回到軸形成閉合迴路。　　變頻調速產生的軸電流是另一種機制，它是由電壓源型變頻器產生的所謂共模電壓引起的，此共模電壓是變頻器所固有的，緣於它的電路結構和控制策略，其峰值約為交一直一交電路中間直流電壓的50%，可以認為是三相系統的零序電壓分量，特別包含了變頻器輸出電壓中的諧波成分，共模模型的等值電路圖如圖1所示，軸電流最後返回到變頻器的中性點。圖1中:

圖1　共模迴路與軸承電壓

b代表軸承;iedm靜電放電加工電流;c 代表電纜;l0 漏抗;csr定子與轉子間電容;rb 軸承電阻;cb軸承電容;r0繞組電阻;csf機座電容;usng 定子中性點對地電壓;crf轉子機架電容;ubrg軸承電壓;ib軸承電流;ucm共模電壓。5.2　降低軸承電流的原理　　從圖1中可以看出，共模電壓ucm源自變頻器，為了降低軸承電流ib，原理上可以降低ucm，加大電纜的分布電容、csf和crf以及加大電纜的阻抗、電機的ro、lo和軸承的電阻rbcsr，但在實際措施上有些參數是不易或不合適改變的，且因電機的大小不同，是否需要採取措施或採取何種措施均有所不同。5.3　具體措施[1]、[2]　　在合適的裝置系統的基礎上，有下列經驗:(1)電動機軸高為280mm及以下時，很少發生因變頻運行而使軸承失效的，但變頻器的開關頻率大於10khz(這種情況不多)和輸出電壓大於400v時，要考慮給電機的一個軸承加以絕緣。(2)電機軸高為315mm及以下時，建議對軸承加以絕緣，絕緣的交流阻抗對1mhz至少為100ω。很少需要對電機的兩個軸承都加絕緣，如果還不滿足要求，則強烈建議對整個驅動系統進行分析並且宜包括被驅動機械(對於軸耦合器加以絕緣)和接地系統(可能需要接地電刷)。(3)電機軸高為315mm及以上時，對其軸承加以絕緣不可能或不希望時，建議採取下列措施之一:降低變頻器輸出電壓的dv/dt,即陡度，或加裝濾波器以降低零序即其模電壓。之所以需要有合適的裝置系統(布線、接地、等位聯接)作基礎，是要盡一切可能使進入到電機的共模電流為最小，為此，也為了滿足emc(電磁兼容)要求，宜使用多芯屏蔽電纜，屏蔽層宜為銅或鋁質，並於其兩端按高頻要求接到pe線上，即一端接變頻器，另一端接電動機。其它要求如對接地、等位聯接、對測速發電機和脈衝編碼器的連接電纜及布線，iec標準都有建議，詳見文獻[1]、[2]。

6　對電動機的其它不良影響　　其它不良影響如磁力引起的噪音，對工業環境一般不會成為問題，至於振蕩轉矩，由於變頻器一般都採用spwm，即正弦波脈寬調製，也都不會成為問題。　　此外，還有一種說法認為變頻器的高頻輸出電流，會使變頻器的輸出電流整體上有所增加，美國雜誌上也曾有文[3]闡述此事，特別是功率20hp以下電機和長支線電纜時。但國內運行實踐未見有此報導，iec的各種標準對此也未提及。

7　變頻器輸出電抗器及濾波器的特點及其應用(參見圖2)[2]　　在某些場合，例如為了降低輸出的高頻電壓強度或改善電磁兼容性能，採用電抗器或輸出濾波器可能是需要的，由於在其兩端要產生電壓降，因而對電動機的性能有某些影響。7.1　輸出電抗器　　特殊設計用以降低輸出電壓峰值及dv/dt，但要注意，特別是帶鐵心的，當設計不當時，可能延長電壓過沖(overshoot)的持續時間。使用電抗器以後可以增加峰值上升時間約5μs，而將峰值電壓降至792v，通常該電抗器由變頻器成套供應並裝在變頻器櫃中。這種電抗器還能減少電纜的電容充電電流，而在較大功率時，可使電纜長度達到幾百米而不致危及電機絕緣。7.2　限壓濾波器(dv/dt濾波器)　　它除了電抗器之外，還包含有電容器或阻容吸收整流橋，可明顯的降低峰值電壓和增加峰值上升時間(減少dv/dt值)。例如峰值可降至684v，dv/dt為40v/μs，但對電機約損失電壓0.5~1.0%，因而會減少啟動轉矩和最大轉矩。這種濾波器主要用在電機絕緣水平相對比較弱的場合。7.3　正弦波濾波器　　特殊設計的一種低通濾波器，以濾除高頻電流使輸出成為正弦波電壓，通常有下列兩種類型:(1)輸出相電壓和線電壓都是正弦波;(2)輸出線電壓為正弦波。　　這種濾波器比較貴，而且有缺點，即損失電機電壓10%，故也不宜用於要求高動態性能的場合，它主要用於一些特殊場合。7.4　電動機機端單元(與電機一體的單元)　　它安裝在電機近旁並連接在電機端子上，其目的是使電機阻抗與電纜阻抗匹配以防止電機反射電壓而使電壓升高(在匹配最不利情況，電壓可升高一倍)，例如峰值電壓現只有800v，但它也要增加損耗約0.5~1.0%。上述四種措施的特性如圖2所示[2]。

圖2a　輸出電抗器(3%)

圖2b　輸出dv/dt濾波器

圖2c　正弦波濾波器

圖2d　電機機端單元

圖2　四種措施的特性舉例

8　變頻專用電機的問題[2]8.1　產品標準　　目前有的只是《iec ts60034—25:2007 第2版旋轉電機第25部分專為變流器饋電的交流電動機的設計指南和性能》。要注意，它不是標準只是一本「技術規範(ts)」，因為(iec規定):(1)雖經過不斷努力，尚得不到足夠的支持來出版國際標準;(2)有關技術仍在發展中，或者由於其他任何原因，目前尚不可能在國際標準上取得一致，有待將來解決。　　從名稱和內容上來看，它確只是這類電機的設計指南，並對電機的性能作了一些規定，據悉，國內已準備將其轉化為國家標準gb/z一類，並有待國家主管機關批准。8.2　變頻專用電機的選擇　　變頻專用電機的工作性能和運行數據受整體驅動系統的影響，這包括供電電源系統、變流器、布線、電動機、機械軸連接和控制設備，其中受變流器的影響最大。　　如果電動機和變流器由一個製造公司生產供貨，用戶只要遵循生產廠家的產品說明書的要求即可，這相對比較簡單。　　如果變頻專用電機廠和變流器廠不是一個企業，像國內大多數廠家都是這樣，此時，選用變頻專用電機時要仔細閱讀電機的說明書，明確該電機在設計中已考慮了哪些問題並且不需要用戶另外再採取措施。

9　變頻器輸入前端接線方案的選擇9.1　通常用二極體整流橋[4]　　這種方案是簡單，價格相對最低，但它只能用於沒有能量反饋的場合，另一個缺點是產生的諧波電流很大，因而在電壓源型變頻器之前一定要接入輸入電抗器，相對電抗值為4%左右，即使增設了此電抗器，諧波電流仍然較大，當變頻器用電量佔有相當的比例時，就要考慮採用濾波器來治理諧波了，通常考慮為價格較低的無源濾波器，當無源濾波器在技術上不能滿足要求時，可考慮採用有源濾波器，不管採用哪一種濾波器，都要另增加投資，多佔用建築的空間，增加維護工作量。9.2　採用潔凈的變頻器　　市面上早已出現變頻器的輸入前端採用pwm方案，即所謂雙pwm變頻器，不但低頻諧波沒有，而且功率因數可調為1，但價格高，如果驅動裝置需要能量反饋，則這種有源前端的變頻器可以作為優先方案加以考慮和比較，特別是單台功率很大或較大而且是動態負載即負載瞬間變動，採用此方案即使在經濟上也有競爭力。採用其它有源前端方案雖也能解決能量反饋問題，卻不可避免的為功率因數低和諧波問題而另外增設補償裝置，這無論在經濟上或技術上都難有什麼優勢可言了！

10　工廠(非公用)電網適用什麼諧波標準　　工廠(非公用)電網就是企業或實業獨用或幾家共用的，電力部門不對其管理、維護的電網，其電壓可以高至110kv。非公用電網是常有的情況，但適用什麼標準並不是眾所周知和都很明確的。10.1　gb/t14549-93 電能質量公用電網諧波　　很清楚，它適用於公用電網，基本上不適用於非公用電網，這是因為諧波標準主要是諧波電壓的含量要受到約束，企業或實業的用電負荷性質多種多樣，可以有另外的諧波電壓限制值，相當一部分比公用電網的要求要寬鬆，特殊的企業或實業則要求更嚴格，所以iec為此另外頒布了標準，詳見下面10.2節。　　但是gb/t14549 也不是對非公用電網的諧波狀態放任不管,它要限制非公用電網或單元負荷向公用電網輸送的諧波電流的大小,這是使公用網諧波電壓不超標的基礎。　　該gb系1993年公布,內容已不合時宜,有關部門正在考慮修改中。10.2　 gb/t 18039.4-2003 電磁兼容、環境、工廠低頻傳導騷擾的兼容水平　　不少設計工程師並不熟悉這本標準，這不足為奇，因為從標準名稱並沒有「諧波」二字出現。原來這是從iec標準《iec61000-2-4:1994》轉化來的，iec在「電磁兼容」大標題下，將《低頻傳異騷擾》列為騷擾中的一類，除了諧波外，還包括:(1) 供電電壓允許偏差;(2) 三相電壓允許不平衡度;(3) 電壓波動;(4) 電壓閃度;(5) 電壓暫降和短時中斷詳見文獻[5]。　　在這個標準中，按工廠負荷性質的不同，將允許的諧波電壓含量又分為三類、其中第一類要求最嚴格，第三類最寬鬆。如何分類，各類的允許值為多少，詳見該gb/t。不過該國標依據的是1994年的iec標準，2002年iec標準有了第2版，欲知詳細介紹可參見文獻[6]。10.3　美國ieee標準　　有關的是《ieee std 519—1992 電力系統中諧波控制的實用措施建議》，並被認可為美國國家標準，2004年有少量修改，並未見有新版。　　這本標準的內容當然可以參考，但和相應的iec標準相比較有許多不足之處，只要認真閱讀這兩類標準，便會和筆者一樣得出上述結論，試舉一例該標準在其「1.2節範圍」中說「本標準設定的是在共同耦合點pcc(point of common couple)上供應的電功率質量標準」，對共同耦合點所規定的諧波電壓限值(該標準的表11.1)應理解為是對公用電網而不是對工廠電網而言，iec則對pcc有明確定義，規定為在公用電網上的一個點;另外還有個點叫「工廠內耦合點」ipc(in-plant point of coupling)，因而iec標準對諧波的限制分為公用網和工廠網兩類，這對工廠網而言更加合適。