[驱动设计]变频器对电机的影响3

1 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 电磁噪声

1.2.1 对于西门子SINAMICS变频器的相关说明

1 变频器对电机的影响_3

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：

- 增加电机绕组上的电压强度。

- 增加电机滚动接触轴承中的轴承电流。

- 增加电机电流中的谐波。

- 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。

下面谈谈有关变频器驱动电机运行时电机噪声情况

1.2 电磁噪声

感应电动机的磁噪声本质上是由作用在定子腔体上的径向拉应力波引起的。这些所谓的麦克斯韦力是由气隙中各种磁场的相互作用激发产生的。拉应力的特征是幅值、频率和模态，由于其振幅很小，因此只有当特定波的频率和模态与定子铁芯的固有频率和模态一致时，拉应力才会产生干扰噪音。在正弦波电源电压的情况下，磁噪声是由气隙场的空间谐波引起的。电机设计的目标是避免在电机的额定工作条件的共振。但是，由于空间谐波磁场的多样性，当电机在一个宽的速度设置范围内以恒定的磁通运行时，即使是在电源电压为正弦波形时，在特定的速度下，可听到的磁噪声也是不可避免的，如在相关的速度点经常会采用跳过一个小的频带来避免过高的噪声发射度。以上说明也适用于电动机由变频器供电的情况，但是在这种情况下，由时域谐波产生的磁场是叠加的。对于磁噪声，考虑工作频率的基波气隙磁场(极对数p)与不同谐波的相互作用就足够了。因此，额外产生的拉应力波为r=0和r=2p模态。这些模态的固有频率取决于电动机的大小和设计。对于2极和4 极电机，r= 0p和r= 2p模态的谐振频率可近似分为：

轴高 < 200mm：f0,r=0 > 4500HZ, f0,r=2 > 800HZ，f0,r=4 > 4000HZ

轴高 > 280 mm：f0,r=0 < 3000HZ, f0,r=2 < 500HZ, f0,r=4 < 2500HZ,

当电流源变频器为电机供电时，谐波电流会产生额外的磁噪音。每个谐波的振幅与其阶数成反比。噪声激励力的频率与定子有效部分的固有频率相差很大，因此，在恒定磁通和恒定电流下，电机运行时噪声增量水平在相同的范围内。变频器的控制设备或电机的设计对噪声增量的影响很小。根据经验, 变频器供电电机运行到额定频率时的加权噪声水平与正弦波电源供电运行在额定电压和额定频率时相比仅增加1dB到6 dB的范围。增加的上限适用于在正弦电压下运行时具有低噪声水平的电机。

当由电压源变频器供电机时，主要谐波的频率接近变频器的开关频率或开关频率的倍数。依据开关频率和变频器的控制模式，r= 0或r= 2p的定子铁芯的固有频率的很大可能与电流源变频器供电的情况相当。开关频率可变时，对磁噪声的产生会有很大的影响。另外，调制的类型会影响特定谐波的幅值，也会对磁噪声的发射有一定影响。无载波或随机PWM控制的变频器通常比固定载波频率的变频器产生更低的噪声增量。因此，与额定电压和额定频率的正弦波电源相比，变频器电源引起的噪声水平增加变化更大。根据经验，恒定通量下的增加量可能在1 ~ 15 dB范围内。噪声实际值一方面取决于所使用的PWM方法和变频器的脉冲频率，另一方面取决于电机的设计和极数。

1.2.1 对于西门子SINAMICS变频器的相关说明

西门子SINAMICS变频器的运行在矢量控制模式及出厂设置脉冲频率(1.25 kHz或2.0 kHz)下，由变频器供电电机产生的A级噪声压水平增量通常在5 dB (A)到 10 dB (A)的范围内。

在外部好的条件下，噪声压偶尔会下降到非常低的水平，只有3分贝(A)，但在外部条件不太有利情况下会达到很高的水平，高达15分贝(A)，。当在电机激发明显的机械共振时，就会产生高的噪声。由于工厂设置的脉冲频率相对较低， SINAMICS变频器不能完全排除在整个转速范围内激发机械共振的可能性。

下图显示了电机在变频器共电运行时产生的A级噪声压等级ΔLpfA与直接在50Hz电源供电系统下运行相比的增加范围。适用于Sinamics变频器在工厂设定的1.25 kHz或2.0 kHz脉冲频率下运行的2,4,6和8极筋型散热电机，对于水套冷却电机该值会低些。

图1、SINAMICS变频器在工厂设定的脉冲频率为1.25 kHz或2.0 kHz运行时电机噪音增加

降低噪声的方法：

- 通过增加脉冲频率来降低电机噪音

提高脉冲频率通常会降低与变频器供电运行相关的电机噪声水平的增加。

下图说明了电机产生的A级声压级与电机直接在50hz供电系统上运行时测量到的声压级增量ΔLpfA的散射范围。这适用于2、4、6和8极点的鳍状冷却电机，脉冲频率高于工厂设置为2.5 kHz或4.0 kHz时的情况。对于水套冷却电机，该值较低。

图2、SINAMICS变频器在脉冲频率高于工厂设定时(即在2.5 kHz或4.0 kHz)电机噪音增量

由于2.5 kHz或以上的脉冲频率几乎不能在电机中激发明显的机械共振，电机噪声水平在2.5 kHz，特别是在4.0 kHz，与工厂设置的脉冲频率水平相比，其散射范围明显更小。

然而，需要注意的是，较高的脉冲频率也需要降额逆变器电流。除了更高脉冲频率所需的电流降值外，电机侧选项(如电机电抗器、dv/dt滤波器和正弦波滤波器)相关的其他限制也必须考虑在内。

在某些边界条件下(线路电压在允许的宽电压范围的低端，低环境温度，限制速度范围)，在脉冲频率高达工厂设置的两倍时也可以部分或完全免除电流降额

对于具有平方转矩负载特性的泵和风扇应用，可以在高于工厂设置的某些脉冲频率下避免电流降额。对于控制要求较低的泵和风机应用(选择“泵和风机”作为工艺应用，参数设置为p0500 = 1)，SINAMICS G和S系列变频器的调制模式(参数p1802)自动预置为9(脉冲边缘调制)。采用电源换相整流器供电的SINAMICS逆变器采用空间矢量调制SVM在低输出频率段，输出电压也较低小于输入电压的92%左右；当输出频率更高时，输出电压超过约92%的输入电压，系统自动切换到脉冲边缘调制PEM，这是空间矢量调制不能提供的。

由于力矩(M)和速度(n)之间的平方律关系，在逆变器的空间矢量调制SVM和脉冲边缘调制PEM之间切换的点对应的电机电流，约等于83%的驱动器标称电流。

当脉冲频率高于工厂设置时逆变器的电流降额系数大于或等于在切换点电动机电流百分数, 在这个高脉冲频率下也可以实现顺利切换且不会触发过载保护动作。

在切换点以上，逆变器使用优化的脉冲模式进行脉冲边缘调制，这涉及比空间矢量调制少得多的开关操作。因此，在脉冲边缘调制模式下，逆变器的有效脉冲频率明显低于空间矢量调制模式下的脉冲频率，且在出厂设置范围内。正是由于这个原因，驱动器可以在脉冲边缘调制模式下达到其额定工作点而不引发过载响应。

由于这些原因，因为这些变频器在2.0 kHz时的电流降额系数一般为≥83%，所有出厂设置为1.25 kHz脉冲频率的SINAMICS G130和G150变频器都可以在脉冲频率设置为2.0 kHz驱动泵和风扇等平方转矩负载特性应用运行而无需电流降档。

注意:

当电动机的额定电压等于进线电源的额定电压，且变频器配备的是电源换相整流模块时，上述相关关系是有效的。在较高的进线电源电压或使用SINAMICS有源整流模块时，空间矢量调制和脉冲边缘调制之间的切换点会转移到更高的速度或输出点。由于这个原因，当驱动器配备了电源换相整流器且供电电源系统电压从不或很少显著超过额定电压的情况下，上面描述的过程在所有情况下都是有意义的。

- 通过与负载相关的脉冲频率切换来降低电机噪声

如果由于经济原因，连续增加脉冲频率所必需的电流降额和相关的变频器尺寸过大时，矢量控制模式下的一种选择是在变频器运行时，基于负载或速度切换脉冲频率。这种方法对于具有平方律速度/转矩特性的泵和风扇驱动系统特别有效。在这种情况下，变频器可以在部分负载范围内以较高的脉冲频率工作；当负载或速度达到为每个驱动器单独定义的限制值时，通过数据组切换使脉冲出厂频率设置再次激活。这样，电机噪音在大部分的速度设置范围内可以降低到一个较低的水平。电机噪声只在额定负载范围内增加，这通常只占驱动器整个运行时间的很小部分。

- 通过降低磁通来降低电机噪声(效率优化)

SINAMICS变频器的出厂设置是这样设计的，在整个基本速度范围内以额定磁通驱动电机直到额定速度。这种设置对于恒扭矩驱动器是必不可少的。然而，对于具有平方律转速/转矩特性的泵和风扇驱动器，通常可以在部分负载范围内减少电机磁通量。降低磁通除了减少变频器和电机的损耗外，一般也能有效地降低由变频器引起的额外电机噪声。磁通量设置是一个可参数化的量(见参数P1580)。

- 通过脉冲频率摆动减少电机噪声

装机装柜型单元和机柜单元的“脉冲频率摆动”可以通过参数p1810 / Bit 02 = 1激活 (配置CIB模块的早期单元和CU320控制单元的固件版本<2.6的无此功能)。摆动幅度在参数p1811中设定。脉冲频率摆动采用统计方法根据p1811参数中的设置改变脉冲频率。平均脉冲频率值仍然对应于设定值，但瞬时值的统计变化产生一个修正的噪声谱。特别是在出厂设置的脉冲频率相对较低时可明显察觉的电机噪音减少。

注意:

- 脉冲频率摆动只能在装机装柜型装置上被激活。

- 脉冲频率摆动只可能在矢量和V/f控制模式，不能在伺服控制模式。

- 摆动功能的最大脉冲频率fPulse max为：fPulse max = 1/电流环采样周期，即: 电流环采样周期为250 μs时，fPulse max = 4 kHz和电流环采样周期为400 μs时，fPulse max = 2.5 kHz。

- 当电环采样周期周期< 250 μs时，脉冲频率摆动是不可能的