[驱动]变频器对电机的影响

1 变频器对电机的影响_1

1.1 当电动机由在变频器供电时，一些特殊的需要考虑的因素

1）在变频调速系统中，电机由PWM变频器输出脉冲宽度调制的方波电压供电。同由正弦波电压供电的电源相比较，会额外产生如下一些列影响：

· 电机绕组上的电压强度增加，

· 增加了电机滚动接触轴承中的轴承电流，以及

· 电机电流中的谐波，

· 因此造成电机中的杂散损失、增加电机噪音和轴上的扭矩振荡。

2）变频器能够通过调节电机电源频率来改变电机转速。因此在设计和调试系统时必须注意下列各点:

· 在低于额定转速时，必须注意扭矩的利用极限。必要时，必须从额定转矩中减少可利用的转矩，因为自冷标准和非标准电机的冷却效率依赖于转速，自冷系统在转速下降时冷却效率降低。

· 在超过额定转速时，有效转矩必须由额定转矩值反比例减少，因为在弱磁场范围内运行，电机中的磁通随着转速的增加而减少，并且与电机转速相关的损耗会有所增加。

1.2 变频器输出电压和/或电流频谱

关于必要的转矩降额和由谐波激发的振荡转矩，了解电机电压(在电压源变频器的情况下)或电机电流(在电流源变频器的情况下)的频谱是很重要的。图1显示了电流源变频器驱动情况下电机相电流的典型波形。所产生的谐波阶为n = 5;7;11;13…相对谐波含量受换相时间间隔的影响，换相时间间隔在不同的驱动器中可能有所不同

图1、由电流源变频器供电的电机（三角形连接绕组）相电流波形i相

在电压源变频器供电的情况下，由于不同电压源变频器使用不同调制类型，因此，不可能对谐波的影响作出全局统一声明。为了明确说明，必须知道变频器输出电压的谐波含量，并研究其对电机的影响。在大多情况下，采用同步和异步调制模式的载波调制电压源变频器，产生频率:

图2、由开关频率为30f1的电压源变频器供电的电机线电压波形uLL

其中ks = 1, 2 ,3…, k1= 1, 2, 4, 5 ,7…分别为开关频率fs和工作频率f1的倍数。

该公式也适用于具有空间失量调制的变频器。无预设开关频率的无载波调制的变频器在实际应用中也存在，其输出电压的频谱特征是宽频带随机噪声无特定的频率噪声尖峰。使用脉冲调制的变频器，低频谐波的含量低，谐波主要出现在开关频率附近且出现在相对较高的频率值处，而电机绕组电感影响不大。

1.3 谐波造成的损耗

由变频器供电的笼型感应电动机的电压和电流谐波会在定子和转子中造成额外的铁耗和绕组损耗。对于电压源变频器供电的电机，额外的铁损耗不可忽略，这些损耗依赖于相电压谐波的振幅，但几乎与频率无关。造成绕组损耗的谐波电流受漏电抗的限制，虽然谐波电流很小，但由于高频产生的电流偏移(集肤效应)，绕组损耗不容忽视，这对于模绕绕组和随机绕制绕组均适用。这些损耗对于具有明显电流偏移(集肤效应)的转子特别敏感。多次试验验证显示由谐波引起的附加损耗的总量与负载无关，但它们随着开关频率的增加而减少，这是因为高开关频率下附加的绕组损耗较小的。

① 总谐波损耗

② 谐波绕组损耗

③ 谐波铁耗

图3、在电压源变频器供电的情况下，由谐波Ph引起的电机损耗与工作频率f1下的损耗Pf1的相对值与开关频率fs关系示例

在电流源变频器供电电机的情况下，除了所谓的整流损耗，附加的铁磁损耗几乎可以忽略不计。在换向过程中，漏磁通的快速变化在定子和转子齿槽中产生涡流。在电压源变频器供电电机的情况下，电机没有换向损耗，因为换向电流不流过电机绕组。

由于低频谐波电流的相对高的振幅，附加的转子绕组损耗起着重要的作用。没有简单的方法来计算额外的损耗，也不能对其值作出一般的说明，这些损耗对不同物理量的依赖性非常复杂，此外还有各种各样的变频器(例如，电流源和电压源变频器具有不同的开关频率和调制模式)和电机(例如电机绕组种类，槽几何形状，特定的铁损耗)，铁芯制造的质量也是一个重要参量。作为一个例子，下图列显示了当电机由不同谐波含量的变频器供电和由正弦波电源供电时，某一电机的损耗组成。这个例子说明了不同类型的损耗对于当今最广泛使用的变频器系统的相对重要性。这种比较无法转移到其他变频器供电的笼型感应电机和其他类型的变频器(具有不同的调制方案和脉冲频率)。为了便于图中的比较。假设变频器工作时的基本电压和基本电流与额定工况相同。

图中可以看出电流源变频器的谐波损耗比电压源变频器的谐波损耗高。电压源变频器供电的谐波损耗是恒定的，而电流源变频器供电的谐波损耗则随着负载的增加而增加

A定子绕组损耗，B转子绕组损耗，C铁耗，D附加损耗，E摩擦损耗，

F定子绕组损耗，G转子绕组损耗，H铁耗，I附加损耗，J换向损耗

图4、某鼠笼感应电机由变频器供电时额定力矩和转速下对其损耗的影响

1.4 振荡力矩

由谐波产生的异步(时间常数)转矩对驱动系统的运行影响很小。然而在机械系统中产生扭转振动的振动力矩的影响不可忽略。对于由六脉动电路形式的电流源变频器供电的三相感应电动机，其6倍和12倍工作频率(f1)的振荡力矩具有实际意义；它们的振幅约为额定扭矩的15%(频率6 × f1)和5%(频率12 × f1)。此外，振荡力矩由以中间电路直流电流纹波为基础的谐波激励的，这些扭矩的频率是6(f1-fp)和12(f1-fp)，其中fp是电源频率。仔细计算临界扭转速度是必要的，特别是对于传动件阻尼很小的驱动系统。在某些应用中，工作频率的小频带跳过是不可避免的。

在脉冲调制变频器的驱动系统中，主导振荡力矩的频率由开关频率决定，而它们的振幅取决于脉冲宽度。因此，如果开关频率超过基频的10倍，则振荡转矩振幅可能高达15%，当前的变频器通常是这样的情况。对于更高的开关频率(如21 xf1)，只要应用合适的脉冲调制模式(例如，用正弦参考波调制或空间失量调制)，频率6 xf1和12 xf1的振荡力矩实际上可以忽略不计。另外，还会产生两倍开关频率的振荡力矩，然而，由于它们的频率远远高于临界机械频率，因此不会对驱动系统产生有害影响。