变频器对电机性能的影响及其对策
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2 d v/ d t 对电机性能的影响
当变频器以 PWM 方式向电动机提供脉冲电 压序列时 , 采用开关时间很短的全控型器件后 , 对 应于开关器件的导通瞬间 , 脉冲电压具有很高的 电压变化率 d v/ d t 。如果这些脉冲电压作用在电容 性负载上 ,将会产生正比于 C(d v/ d t ) 的脉冲电流 序列 , 该电流不仅使得功率开关器件承受很大瞬 时电流及瞬时功耗 , 而且会导致电容性负载受到 损伤 。
(1) d v/ d t 对电机绝缘的影响 三相 Y接交流异步电动机 A、B 两相之间的简 化等效电路与简化的开关控制如图 1 所示 。图中 : Ud 为直流母线电压 ; Cm 表示电机绕组间的等效 寄生电容 ; K表示功率开关器件 ; L 表示线圈电感 ; R 表示线圈电阻 。
图 1 简化的异步电动机开关控制等效电路图
率相同 ,等于基波频率乘以谐波次数 。则 k 次谐波电
流产生的附加铁损可用下式计算 :
p Fek = p Fel ( B k / B1 ) 2 ( fk / f1 ) 1. 5 ( Gs + G2 )/ Gs
( 8)
式中 , PFel 为基波磁场在定子铁心中产生的铁损 耗 ; Bk / B1 和 fk / f1 分别为 k 次谐波磁通密度幅值 和频率与基波磁通密度幅值和频率之比 ; Gs 和 Gr 分别为定 、转子铁心的质量 。
∑ ∑ psk = psl
( B k / B1 ) 2/ ( fk / f1 ) 1. 5
( 12)
与前述相同 ,将式 (9) 与式 (10) 代入到式 (12) ,
整理后得到 :
∑ ∑ psk = psl ( U k / UN )2/ ( 1/ k )
值达 5. 6 A 的脉冲电流 。当开关器件以很高的频率
通断时 , 电机绕组绝缘将反复承受峰值很高的脉
冲电流 ,致使电机绝缘承受相当严酷的电应力 。如
此长期下去 , 将会加剧绝缘老化过程 , 造成电机绝
缘损伤 , 严重Hale Waihona Puke Baidu绝缘被击穿 , 缩短了电机使用寿
命。
图 2 为某公司生产的变频器驱动型号为 A02-8014 , 功率为 550 W 的三相交流异步电动机的 测试结果 。频率给定值为 30 Hz , 开关频率值为 3 kHz , 电机带 54. 5 %的额定负载 。测试与记录仪器 为 : 存储示波器 PHILIPS PM3365A 100 MHz , EP2 SON FX-850 打印机 。
3 谐波对电动机性能的影响
变频器以 PWM 方式输出的脉冲电压序列除包 含基波电压外 , 还包含一系列谐波电压分量 , 谐波 电压分量作用在电机绕组两端将产生谐波电流 。 谐波对电机性能将产生不良影响 。 3. 1 谐波等效电路及谐波电流估算
如果不考虑铁心饱和等非线性因素的影响 ,认 为电机电路是线性的 , 则根据叠加原理 , 可以将各 次谐波电源分别加到同一个稳态等效电路上 。对于 k 次谐波电压和电流 , 三上异步电动机的稳态等效 电路如图 3 所示 。
第 22 卷第 5 期 2000 年 10 月
电气传动自动化 Electrical Drive Automation
文章编号 :1005 —7277 (2000) 05 —0009 —04
变频器对电机性能的影响及其对策
Vol . 22 , No. 5 OCT. ,2000
曾岳南
(广东工业大学 , 广东 广州 510090)
duction motor and presents some methods for solving problems.
Key words :induction motor ;inverter ;high-order harmonic ;pulse voltage
1 前言
变频调速是一项效益高 、性能好 、应用广泛的 交流传动控制技术 。作为实现变频调速的控制装 置 —变频器已被广泛应用于工业 、农业以及国防 等各个领域 , 在未来世界中将会扮演愈来愈重要 的角色 。
摘要 : 目前广泛使用的变频器都会产生不同程度的高次谐波和 dv/ dt 问题 。为此 , 本文着重分析了高次谐
波和 dv/ dt 对异步电动机性能的影响 ,同时给出了一些解决问题的方法 。
关键词 :异步电动机 ;变频器 ;高次谐波 ;脉冲电压
中图分类号 : TM433
文献标识码 :A
Influence of inverter on induction motor and countermeasures
2000 年 10 月
曾岳南
变频器对电机性能的影响及其对策
·11 ·
由式 (5) 可以看出 , 含有谐波的相电流有效值
高于基波相电流有效值 , 如果提高调制频率 , 则幅
值较大的谐波分量将朝着频率增大的方向移动 ,
由式 (3) 、(4) 可知 ,谐波电流有效值将减小 。
3. 2 谐波电流产生的附加损耗
(1) 谐波电流产生的附加铜损耗
谐波电流流过电机定 、转子绕组时产生的铜
损耗为 :
∑ ∑ pcuk =
Is2k ( Rs + R′r )
( 6)
对于定子绕组线圈为多匝圆形铜线绕制的笼
型铸铝转子异步电动机 , 可以忽略定子绕组集肤
效应 , 而笼型转子的集肤效应可以用转子电阻增
大系数 krk 来等效 。当考虑集肤效应时 ,应对式 ( 6) 进行修正 ,修正后的算式为 :
取功率开关器件的最小导通时间 Tr = 0. 1μS , 直流母线电压为 560 V ,等效电容 Cm = 1000 pF。为 简化分析 ,假定 :1) 不考虑开关断开后并联回路的
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
ZENG Yue-nan
( Guangdong University of Technique , Guangzhou 510090 , China) Abstract : The inverter will produce harmonic and dv/ vt ,so this paper analyses that their effect on performance of in2
的附加铁损耗与谐波电压分量的幅值成正比 , 与
谐波次数成反比 。提高调制频率后 ,幅值较高的电
压谐波分量将向频率增大的方向移动 , 则谐波铁
损耗相应减小 。
(3) 谐波电流产生的附加杂散损耗 。
谐波电流产生的磁场将产生附加杂散损耗 。
附加杂散损耗主要包括 : 1) 定 、转子端部谐波漏磁
场在铁心端部产生的铁损耗 ; 2) 斜槽转子中的扭
·10 ·
电气传动自动化
第 22 卷第 5 期
谐振因素 ;2) 开关导通瞬间电容两端的电压为零 。 则脉冲电流幅值为 :
IP
=
Cm
dv dt
=
Cm
Ud Tr
( 1)
= 1000 ×10 - 12
560 0. 1 ×10 - 6
= 5. 6 (A)
由此可见 , 由于电机绕组间存在寄生电容 , 所
以对应于功率开关器件的导通瞬间 , 将会产生峰
图 2 电流波形
由图 2 可见 ,在基波电流上叠加着一些脉冲电 流 ,脉冲电流的最大幅值达到 12 A。脉冲电流的幅 值不完全一致 , 这跟电机内部的反电动势以及并 联回路的谐振因素有关 。
(2) d v/ d t 对电机轴承的影响 近年来 , 人们发现当使用高载波频率的电压型 PWM 变频器驱动电动机时 , 会发生电动机轴承圈呈 现槽状损坏现象 。轴承损坏的机理可能是 d v/ d t 或静 电感应造成润滑油膜击穿导致的电火花加工作用 。 由于定子与转子之间 , 转子与机壳之间以及 电机转子轴承中存在寄生电容 。因此 ,当幅值很高 的 d v/ d t 作用在这些电容上时 ,不仅会产生正比于 C(d v/ d t ) 的脉冲充电电流 , 而且还会由于电容的 累积作用使得转子轴电压升高 。两者都会引起润 滑油膜击穿 , 生产电火花加工作用并导致电机轴 承损坏 。
图 3 异步电动机的谐波等效电路
图中 , Sk 为定子 k 次谐波电流所产生的旋转磁场 相对于转子的转差率
S k = k ±(1 - S1 ) / k
( 2)
式中 , S1 为基波转差率 。
由于基波转差率 S1 很小 , 因此对于高次谐波旋
转磁场 ,由式 (2) 可知 ,可以认为 Sk = 1 。此外 ,考虑到
认为基波电流产生的旋转磁场仅在定子铁心中产
生铁损耗 。与基波电流产生的磁场不同 , 谐波电流
产生的磁场以不同倍数的同步速相对于定 、转子旋
转 , 所以它在转子铁心中也要产生附加铁损耗 。谐
波磁场相对于定 、转子的旋转速度虽然不同 , 但比
较接近 ,而且谐波次数越高 ,两者越接近 。为简化计
算 , 近似认为谐波磁场在定 、转子铁心中的交变频
Isk≈
k
(X
Usk sl + X
′rl )
( 3)
则 ,总的谐波电流有效值为 :
Ihk =
∑Is2k
( 4)
k ≥5
相电流有效值为 :
∑ I = I21 + Is2k
( 5)
k ≥5
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
∑ ∑ pcuk =
Is2k ( Rs + k rkR′r )
( 7)
式 (7) 表明 , 由于集肤效应的影响 , 谐波电流
产生的附加铜损耗将进一步增大 。
(2) 谐波电流产生的附加铁损耗
三相绕组基波电流产生旋转磁场相对于定子以
同步速旋转 , 而异步电动机的转子也是以接近同步
速旋转且与旋转磁场的旋转方向相同 。因此 , 可以
由于谐波电流与基波电流产生的磁动势在空
间分布规律相同 ,因而有
B k / B 1 = Φk / Φ1 = ( f1 / f k ) ( E k / E 1 )
( 9)
式中 , Φ1 、E1 和 Φk 、Ek 分别为基波和 k 次谐波电
流产生的每极磁通和气隙电动势 。
又由于谐波与基波气隙电动势之比近似等于
励磁电抗 Xm 一般比定 、转子漏电抗 Xsl 和 X′rl 要大
得多 ,因此可以对图 3 进一步简化 ,如图 4 所示 。
图 4 简化的异步电动机谐波等效电路图
一般来讲 Rs ≤Xsl 、R r′≤X ′rl , 若电机定子绕组 为 星 型 接 法 , 则 k ≥5 , 因 此 ( Rs + R r′) 2 与 ( kXsl + kX rl′)2 相比要小得多 , 于是根据图 4 可以得 到:
斜谐波漏磁场产生的附加铁损耗 。端部谐波漏磁
场和扭斜谐波漏磁场十分复杂 , 准确计算由它们
产生的附加杂散损耗比较困难 , 一般可进行近似
计算 。
由于端部谐波漏磁场和扭斜谐波漏磁场产生
的涡流损耗是一种铁损耗 , 故可参照前面计算附
加铁损耗的方法进行计算 。 k 次谐波电流产生的
附加杂散损耗用下式表示 :
然而 , 变频器在节能 、改善人类生活环境 、提 高产品质量以及提高工业自动化程度方面做出巨 大贡献的同时也将产生一些负面效应 。例如 :变频 器的输出电压和电流中含有高次谐波 , 高次谐波 不仅会引起电机损耗增加 , 而且会产生影响邮电 通讯设备正常工作的电磁干扰 ; 由于电源线路存 在分布电容以及电动机内部存在寄生电容 , 因此 对应于功率开关器件的导通瞬间 , 将会产生正比 于 C(d v/ d t) 的脉冲电流序列 , 脉冲电流序列将导 致变频器工况恶化 , 影响电动机的性能 , 引起漏电 流保护动作 。充分认识诸如此类的不利因素 ,不仅 有益于改进变频器的设计 、完善各种防护措施 , 而 且对研究 、设计非正弦供电下的电动机也具有一 定的现实指导意义 。为此 ,本文着重分析了 d v/ d t 以及谐波对异步电动机性能的影响 , 同时给出一 些解决问题的方案 。
谐波与基波电压之比 ,即
Ek / E1≈ Uk / UN
( 10)
将式 (9) 与式 (10) 代入到式 (8) , 并考虑到
( Gs + Gr) / Gs≈2 ,于是得到 :
∑ ∑ = 2 pFek
pFek1
( U k / UN )2 ( 1/
k)
( 11)
式 (11) 表明 , 谐波电流在定 、转子铁芯中产生
当变频器以 PWM 方式向电动机提供脉冲电 压序列时 , 采用开关时间很短的全控型器件后 , 对 应于开关器件的导通瞬间 , 脉冲电压具有很高的 电压变化率 d v/ d t 。如果这些脉冲电压作用在电容 性负载上 ,将会产生正比于 C(d v/ d t ) 的脉冲电流 序列 , 该电流不仅使得功率开关器件承受很大瞬 时电流及瞬时功耗 , 而且会导致电容性负载受到 损伤 。
(1) d v/ d t 对电机绝缘的影响 三相 Y接交流异步电动机 A、B 两相之间的简 化等效电路与简化的开关控制如图 1 所示 。图中 : Ud 为直流母线电压 ; Cm 表示电机绕组间的等效 寄生电容 ; K表示功率开关器件 ; L 表示线圈电感 ; R 表示线圈电阻 。
图 1 简化的异步电动机开关控制等效电路图
率相同 ,等于基波频率乘以谐波次数 。则 k 次谐波电
流产生的附加铁损可用下式计算 :
p Fek = p Fel ( B k / B1 ) 2 ( fk / f1 ) 1. 5 ( Gs + G2 )/ Gs
( 8)
式中 , PFel 为基波磁场在定子铁心中产生的铁损 耗 ; Bk / B1 和 fk / f1 分别为 k 次谐波磁通密度幅值 和频率与基波磁通密度幅值和频率之比 ; Gs 和 Gr 分别为定 、转子铁心的质量 。
∑ ∑ psk = psl
( B k / B1 ) 2/ ( fk / f1 ) 1. 5
( 12)
与前述相同 ,将式 (9) 与式 (10) 代入到式 (12) ,
整理后得到 :
∑ ∑ psk = psl ( U k / UN )2/ ( 1/ k )
值达 5. 6 A 的脉冲电流 。当开关器件以很高的频率
通断时 , 电机绕组绝缘将反复承受峰值很高的脉
冲电流 ,致使电机绝缘承受相当严酷的电应力 。如
此长期下去 , 将会加剧绝缘老化过程 , 造成电机绝
缘损伤 , 严重Hale Waihona Puke Baidu绝缘被击穿 , 缩短了电机使用寿
命。
图 2 为某公司生产的变频器驱动型号为 A02-8014 , 功率为 550 W 的三相交流异步电动机的 测试结果 。频率给定值为 30 Hz , 开关频率值为 3 kHz , 电机带 54. 5 %的额定负载 。测试与记录仪器 为 : 存储示波器 PHILIPS PM3365A 100 MHz , EP2 SON FX-850 打印机 。
3 谐波对电动机性能的影响
变频器以 PWM 方式输出的脉冲电压序列除包 含基波电压外 , 还包含一系列谐波电压分量 , 谐波 电压分量作用在电机绕组两端将产生谐波电流 。 谐波对电机性能将产生不良影响 。 3. 1 谐波等效电路及谐波电流估算
如果不考虑铁心饱和等非线性因素的影响 ,认 为电机电路是线性的 , 则根据叠加原理 , 可以将各 次谐波电源分别加到同一个稳态等效电路上 。对于 k 次谐波电压和电流 , 三上异步电动机的稳态等效 电路如图 3 所示 。
第 22 卷第 5 期 2000 年 10 月
电气传动自动化 Electrical Drive Automation
文章编号 :1005 —7277 (2000) 05 —0009 —04
变频器对电机性能的影响及其对策
Vol . 22 , No. 5 OCT. ,2000
曾岳南
(广东工业大学 , 广东 广州 510090)
duction motor and presents some methods for solving problems.
Key words :induction motor ;inverter ;high-order harmonic ;pulse voltage
1 前言
变频调速是一项效益高 、性能好 、应用广泛的 交流传动控制技术 。作为实现变频调速的控制装 置 —变频器已被广泛应用于工业 、农业以及国防 等各个领域 , 在未来世界中将会扮演愈来愈重要 的角色 。
摘要 : 目前广泛使用的变频器都会产生不同程度的高次谐波和 dv/ dt 问题 。为此 , 本文着重分析了高次谐
波和 dv/ dt 对异步电动机性能的影响 ,同时给出了一些解决问题的方法 。
关键词 :异步电动机 ;变频器 ;高次谐波 ;脉冲电压
中图分类号 : TM433
文献标识码 :A
Influence of inverter on induction motor and countermeasures
2000 年 10 月
曾岳南
变频器对电机性能的影响及其对策
·11 ·
由式 (5) 可以看出 , 含有谐波的相电流有效值
高于基波相电流有效值 , 如果提高调制频率 , 则幅
值较大的谐波分量将朝着频率增大的方向移动 ,
由式 (3) 、(4) 可知 ,谐波电流有效值将减小 。
3. 2 谐波电流产生的附加损耗
(1) 谐波电流产生的附加铜损耗
谐波电流流过电机定 、转子绕组时产生的铜
损耗为 :
∑ ∑ pcuk =
Is2k ( Rs + R′r )
( 6)
对于定子绕组线圈为多匝圆形铜线绕制的笼
型铸铝转子异步电动机 , 可以忽略定子绕组集肤
效应 , 而笼型转子的集肤效应可以用转子电阻增
大系数 krk 来等效 。当考虑集肤效应时 ,应对式 ( 6) 进行修正 ,修正后的算式为 :
取功率开关器件的最小导通时间 Tr = 0. 1μS , 直流母线电压为 560 V ,等效电容 Cm = 1000 pF。为 简化分析 ,假定 :1) 不考虑开关断开后并联回路的
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
ZENG Yue-nan
( Guangdong University of Technique , Guangzhou 510090 , China) Abstract : The inverter will produce harmonic and dv/ vt ,so this paper analyses that their effect on performance of in2
的附加铁损耗与谐波电压分量的幅值成正比 , 与
谐波次数成反比 。提高调制频率后 ,幅值较高的电
压谐波分量将向频率增大的方向移动 , 则谐波铁
损耗相应减小 。
(3) 谐波电流产生的附加杂散损耗 。
谐波电流产生的磁场将产生附加杂散损耗 。
附加杂散损耗主要包括 : 1) 定 、转子端部谐波漏磁
场在铁心端部产生的铁损耗 ; 2) 斜槽转子中的扭
·10 ·
电气传动自动化
第 22 卷第 5 期
谐振因素 ;2) 开关导通瞬间电容两端的电压为零 。 则脉冲电流幅值为 :
IP
=
Cm
dv dt
=
Cm
Ud Tr
( 1)
= 1000 ×10 - 12
560 0. 1 ×10 - 6
= 5. 6 (A)
由此可见 , 由于电机绕组间存在寄生电容 , 所
以对应于功率开关器件的导通瞬间 , 将会产生峰
图 2 电流波形
由图 2 可见 ,在基波电流上叠加着一些脉冲电 流 ,脉冲电流的最大幅值达到 12 A。脉冲电流的幅 值不完全一致 , 这跟电机内部的反电动势以及并 联回路的谐振因素有关 。
(2) d v/ d t 对电机轴承的影响 近年来 , 人们发现当使用高载波频率的电压型 PWM 变频器驱动电动机时 , 会发生电动机轴承圈呈 现槽状损坏现象 。轴承损坏的机理可能是 d v/ d t 或静 电感应造成润滑油膜击穿导致的电火花加工作用 。 由于定子与转子之间 , 转子与机壳之间以及 电机转子轴承中存在寄生电容 。因此 ,当幅值很高 的 d v/ d t 作用在这些电容上时 ,不仅会产生正比于 C(d v/ d t ) 的脉冲充电电流 , 而且还会由于电容的 累积作用使得转子轴电压升高 。两者都会引起润 滑油膜击穿 , 生产电火花加工作用并导致电机轴 承损坏 。
图 3 异步电动机的谐波等效电路
图中 , Sk 为定子 k 次谐波电流所产生的旋转磁场 相对于转子的转差率
S k = k ±(1 - S1 ) / k
( 2)
式中 , S1 为基波转差率 。
由于基波转差率 S1 很小 , 因此对于高次谐波旋
转磁场 ,由式 (2) 可知 ,可以认为 Sk = 1 。此外 ,考虑到
认为基波电流产生的旋转磁场仅在定子铁心中产
生铁损耗 。与基波电流产生的磁场不同 , 谐波电流
产生的磁场以不同倍数的同步速相对于定 、转子旋
转 , 所以它在转子铁心中也要产生附加铁损耗 。谐
波磁场相对于定 、转子的旋转速度虽然不同 , 但比
较接近 ,而且谐波次数越高 ,两者越接近 。为简化计
算 , 近似认为谐波磁场在定 、转子铁心中的交变频
Isk≈
k
(X
Usk sl + X
′rl )
( 3)
则 ,总的谐波电流有效值为 :
Ihk =
∑Is2k
( 4)
k ≥5
相电流有效值为 :
∑ I = I21 + Is2k
( 5)
k ≥5
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
∑ ∑ pcuk =
Is2k ( Rs + k rkR′r )
( 7)
式 (7) 表明 , 由于集肤效应的影响 , 谐波电流
产生的附加铜损耗将进一步增大 。
(2) 谐波电流产生的附加铁损耗
三相绕组基波电流产生旋转磁场相对于定子以
同步速旋转 , 而异步电动机的转子也是以接近同步
速旋转且与旋转磁场的旋转方向相同 。因此 , 可以
由于谐波电流与基波电流产生的磁动势在空
间分布规律相同 ,因而有
B k / B 1 = Φk / Φ1 = ( f1 / f k ) ( E k / E 1 )
( 9)
式中 , Φ1 、E1 和 Φk 、Ek 分别为基波和 k 次谐波电
流产生的每极磁通和气隙电动势 。
又由于谐波与基波气隙电动势之比近似等于
励磁电抗 Xm 一般比定 、转子漏电抗 Xsl 和 X′rl 要大
得多 ,因此可以对图 3 进一步简化 ,如图 4 所示 。
图 4 简化的异步电动机谐波等效电路图
一般来讲 Rs ≤Xsl 、R r′≤X ′rl , 若电机定子绕组 为 星 型 接 法 , 则 k ≥5 , 因 此 ( Rs + R r′) 2 与 ( kXsl + kX rl′)2 相比要小得多 , 于是根据图 4 可以得 到:
斜谐波漏磁场产生的附加铁损耗 。端部谐波漏磁
场和扭斜谐波漏磁场十分复杂 , 准确计算由它们
产生的附加杂散损耗比较困难 , 一般可进行近似
计算 。
由于端部谐波漏磁场和扭斜谐波漏磁场产生
的涡流损耗是一种铁损耗 , 故可参照前面计算附
加铁损耗的方法进行计算 。 k 次谐波电流产生的
附加杂散损耗用下式表示 :
然而 , 变频器在节能 、改善人类生活环境 、提 高产品质量以及提高工业自动化程度方面做出巨 大贡献的同时也将产生一些负面效应 。例如 :变频 器的输出电压和电流中含有高次谐波 , 高次谐波 不仅会引起电机损耗增加 , 而且会产生影响邮电 通讯设备正常工作的电磁干扰 ; 由于电源线路存 在分布电容以及电动机内部存在寄生电容 , 因此 对应于功率开关器件的导通瞬间 , 将会产生正比 于 C(d v/ d t) 的脉冲电流序列 , 脉冲电流序列将导 致变频器工况恶化 , 影响电动机的性能 , 引起漏电 流保护动作 。充分认识诸如此类的不利因素 ,不仅 有益于改进变频器的设计 、完善各种防护措施 , 而 且对研究 、设计非正弦供电下的电动机也具有一 定的现实指导意义 。为此 ,本文着重分析了 d v/ d t 以及谐波对异步电动机性能的影响 , 同时给出一 些解决问题的方案 。
谐波与基波电压之比 ,即
Ek / E1≈ Uk / UN
( 10)
将式 (9) 与式 (10) 代入到式 (8) , 并考虑到
( Gs + Gr) / Gs≈2 ,于是得到 :
∑ ∑ = 2 pFek
pFek1
( U k / UN )2 ( 1/
k)
( 11)
式 (11) 表明 , 谐波电流在定 、转子铁芯中产生