变频器对电机的影响2

变频器对电机的影响

1.1 当电动机由在变频器供电时，一些特殊的方面需要考虑的因素

1.2 绝缘系统的服务寿命

1 变频器对电机的影响_2

1.1 当电动机由在变频器供电时，一些特殊的方面需要考虑的因素

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 绝缘系统的服务寿命

变频器供电的电机绝缘系统比正弦波电源供电的电机绝缘系统承受更高的介电应力。在开关速度低的电流源变频器(通常采用晶闸管)供电的情况下，电机电压在换向间隔期间出现峰值，这将使主绝缘和匝间绝缘压力增加。换向峰值一般不会危及绝缘系统，因为它们的上升时间相对较长，重复频率相对较低。在快速开关的电压源变频器供电的情况下(例如采用IGBT)，电压陡度可能会显著地增加匝间绝缘电压应力，特别是入口线圈的绝缘。绕组绝缘的介电应力是由变频器产生的脉冲峰值电压、短的上升时间和高的重复频率、变频器和电机之间的连接导线的特性和长度、电机绕组的设计以及其他系统参数决定的。

用漆包圆线随机绕制的线圈的电机在端子处通常可以承受下图所示的脉冲电压，且寿命不会显著降低。由于传输线效应，快速开关逆变器与电缆结合将导致峰值电压。对于额定电压小于或等于500V交流的电机，绝缘系统在图1所示的峰值电压下通常应能提供满意的使用寿命。必须注意避免涉及快速速度变化的调速应用，因为这可能导致变频器输出的再生电压高达电机额定电压的两倍。

图1、电机端子容许冲击电压ULL(含电压反射和阻尼)与上升时间tr关系的限定曲线

对于额定电压超过500V的交流电机，由快速开关逆变器供电，需要加强的绝缘系统和/或滤波器在变频器输出端(设计为增加上升时间和/或限制峰值电压)。峰值上升时间这一术语是基于以下定义的，该定义考虑了绕组内的瞬态现象(见下图2)。

图2、电机端子电压峰值上升时间tr的定义

电压范围Δu是直接在电压脉冲前后的电压瞬时值之差。当电压达到第一个最大值时，这个脉冲就结束了。峰值上升时间定义为电压从整个电压范围的10%到90%变化的时间间隔。

变频器运行的绕组绝缘

由于逆变器中IGBT的快速切换造成的陡峭电压边缘，结合较长的电机电缆上的电压反射，与在正弦供电系统上运行相比，导致电机绕组上的电压应力增加。电压上升速率和峰值电压两者都增加。因此，绕组的绝缘必须根据变流器的运行而设计。

IEC 60034-18-41:2019“旋转电机第18-41部分：无局部放电电气绝缘系统（I型)用于电压变频器供电的旋转电机-鉴定和质量控制试验” 定义了使用脉宽度调制方法在电压源变频器上运行的电机绕组的绝缘系统规范的标准。为此目的，IEC 60034-18- 41定义了冲击电压绝缘等级IVIC，并指定了四种应力类别。

2电平变频器无局部放电绝缘系统(I型)的冲击电压绝缘等级IEC 60034 - 18 - 41

SINAMICS逆变器中使用的IGBT以Tr≥0.1μs的上升沿时间将直流链路电压VDCLink连接到逆变器输出。在直流电压接近1000 V的690v电源的情况下，这相当于一个电压边沿(相对相)的dv/dt上升速率≤10 kV/μs。SINAMICS的电压上升速率的平均值为dv/dt = 3 kV/μs - 6 kV/μs。如果逆变器输出直接连接电机电缆，即没有电机侧选项：如电机电抗器、dv/dt滤波器加VPL、dv/dt滤波器紧凑型加VPL或正弦波滤波器安装在逆变器输出端，这个相对相电压边沿以大约150m/μs(≈光速的一半)的速度沿电机电缆向电机移动。

由于电机的阻抗ZW motor是明显高于电动机电缆的阻抗ZW cable，电压边沿缘到达电动机端会产生反射，造成电动机相对相电压短暂的电压尖峰值VPP，其值甚至可达到VDCLink直流环节电压值的两倍。

SINAMICS变频器无一例外都是采用2-电平IGBT技术和脉宽调制方法的电压源变频器。电机绕组端子的反射系数在1.7 < r≤2.0范围内。因此，当SINAMICS变频器供电电机运行时，电机绕组按冲击电压绝缘等级C承受电压应力。因此，电机绕组的绝缘设计必须是最小能够承受根据冲击电压绝缘等级C峰值电压值。

下表列出了所有通用额定电机电压，按冲击电压绝缘等级C规定，变频器运行时电机绕组允许的最大峰值电压值。

这些值有两种不同的表示形式:

- 相-相间电压的峰值VPP(黄色框)。

- IEC 60034-18-41中规定的，相-相间电压的峰-峰值VPP/Peak-Peak(蓝色框)是相-相间电压峰值VPP的两倍。

图3、电机运行在采用2电平IGBT技术的电压源变频器上时电机绕组上的相对相电压

表的最后一列指定了相对地电压的峰-峰值VPG/peak-peak

根据IEC 60034-18-41，冲击电压绝缘等级为C的电机绕组上电压的最大允许峰值和峰-峰值