二电平变频器输出对电动机的影响及应对措施
潘星，卢嘉华
(浙江省电力试验研究院，浙江杭州310014)
摘要：介绍了二电平变频器供电对电动机产生的不良影响，采崩仿真数据说明变频供电出现电机端尖峰电压的特点，就改善变频供电电动机温升偏高及机端电压尖峰问题提出应对措施，并现场实测改善效果。
关键词：变频器；谐波；电机
中国分类号：TM 92l 51文献标志码：A文章编号：1673~540(20t0)054)0374)5
0 引言
变频器主要应用于=交流电机转速的调节，足理想的调速方案。变频调速以其自身所具有的调速范围广、调速精度高、动态响应好、节能效果显著等优点，在许多需要精确速度控制的应用中发挥着提高产品质量和生产效率的作用[1]。
变频器输出的电压电流波形是由开关元件通过一系列的控制调制而成，与****的正弦交流波形存在较大差异，变频器输出电压的非线性、脉冲性、重复性等特征严承恶化了电动机的电气运行环境，容易造成电机温升噪声增加、绝缘老化加剧等不良后果，缩短电机使用寿命，甚至破坏电机绝缘，造成电机损坏。
l 电压源型高压变频器拓扑结构
文献[2-3]中关于各类变频器的拓扑结构有较全面的描述。图1为电压源型变频器的基本结构，采用二电平逆变方式，电路控制简单、技术成熟、体积小、成本低，可广泛应用于轧机、起重机、电力机车牵引、船舶主传动、风机、水泵等。但二电平逆变存在对单管的耐压要求高，日输出电压的du／dt大、所含低次谐波分量相对较高等问题。
图2是三相二极管钳位三电平逆变器主电路，三电平结构变频器的转矩纹波和电机噪声较低，对电机绝缘无损害，典型应用于风机水泵、传送带驱动、矿石粉碎机、轧机、挤压机、窑传动等。但其开关元件一般采用GTO或IGCT器件，需要复杂的缓冲电路和门极触发电路，输出电压波形畸变严重。
图3为多电平串联的H桥逆变器结构，采用低压绝缘栅双极晶体管(IGBT)，输出波形****无
谐波，转矩纹波和电机噪声较低，对电机绝缘无损害，典型应用于风机和水泵调速=但其器件多，使得可靠性差，节点多增加连接难题，大量变压器使电气窒的空间和散热成为问题。
二电平结构的不利因素使其在高电压等级中的应用受到一定限制，人们通过拓扑结构的多重化来实现高压逆变器的应用，但由于多重化结构器件较多，带来了制造成本高、可靠性差、主要一次设备的连接及散热困难等问题。因此，现阶段在常规IGBT****反向耐压允许范围内(1 000～1200 V)，二电平逆变变频器仍是****。
2谐波和温升问题及其应对措施
变频器供电电压波形均为非正弦波，存在一系列高次谐波电压，高次谐波电压会使电机产生附加铜损、铁损、附加机械损耗等，谐波产生的集肤效应使转子电阻增加导致转差铜耗显著增加，这些附加损耗导致电机有额外温升，电机往往要降额使用。
逆变回路采用多电平技术，一定程度上可改善变频器输出谐波，如将两组二电平逆变同路自流侧并联，导通角为θ，移相角为 φ，设逆变输出分别为U1和U2，分别如式(1)、(2)所示：
根据式(1)～(3)，选择合适的导通角θ和移相角φ，可使得输出电压u选择性的消除一部分谐波。安装滤波器也是抑制谐波的常用办法之一，但在变频器输出侧采用滤波器仅适卢电压、频率都恒定的控制方式，对于输出电压和频率变化的情况，很少采用滤波器。
变频器采用正弦脉宽调制(s阿M)逆变对于减少低次谐波输入有较好效果[4-5]，理论计算汪明，当调制波频率为f1，载波频率为fc(fc>ft)时，输出电压半周的脉冲数为p=fc／(2f)，sPwM波形中(2p一1)次以下谐波均能被消除或抑制，提高开关器件的开关频率可有效降低谐波电压总畸变率。
|
