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变频器产生谐波对电动机影响及其治理措施

  我国《节约能源法》第39条规定:将变频调速列入通用节能技术加以推广。在工矿企业的众多电力拖动系统中,大多采用异步电动机作为拖动动力。在电力拖动系统的调速节能改造工程中,除优化拖动系统装置的设计外,仍需运用变频调速技术进行节能改造。实现异步电动机的变频调速,这是发明异步电动机百年以来人们翘首以待的世纪之梦。变频器具有高效节能、调速精度高、范围宽的特性,可实现异步电动机的软起动。同时还能有效地改善拖动设备的机械性能,这对使用面广、数量多的异步电动机,必将会取得很好经济效益。

  但变频器是非线性设备,使用大功率二级管整流,大功率晶体管逆变,运行中必将会引起正弦波的畸变而产生高次谐波。当变频器向电动机输入频率可变的电流时,必然会将含有颇丰的高次谐波电流输入电动机而造成不良影响。为此,必须通过采取一系列的谐波治理措施,将谐波造成影响降到最低,使变频调速的节能技术得到推广应用,从而可取得很好的经济效益。

  一、变频调速的优越性

  1.变频调速特性好

  实现异步电动机的变频调速,是发明异步电动机百年以来人们翘首以待的世纪之梦。变频器通过不懈改进、提高和完善,其调速工作特性毫不逊色,即与直流调速系统相比较,某些性能还将超过直流调速。由于频率本身是数字量,即可实现不需外部反馈情况下而获得很硬的机械特性。同时还具有调速精度高、范围宽、起动平滑、性能稳定、维护简便等优点,并易于实现生产过程的自动控制。

  2.变频调速系统故障率低

  异步电动机拖动系统,可在不更换原电动机条件下,实现变频调速节能技术改造,即在电动机与电源之间接入相配套的变频器,而得到最佳调速效果。其故障低是得益于异步电动机的结构简单、性能稳定、运行可靠,而转子回路内电流不需从外部引入,故出现故障几率很低。

  3.变频调速可实现软起动

  异步电动机若采用全压直接起动,其起动电流是额定电流的5-7倍,这么大的起动电流将会对拖动设备或电网造成冲击。而采用变频调速起动,其起动电流一般不会超过额定电流的1.5倍,而且起动平滑稳定无冲击,实现异步电动机真正意义上软起动。

  4.变频调速会延长设备使用寿命

  变频调速在风机、泵类负载中使用,不仅能按负载运行功能要求实现转速条件,而且起动过程中振动和机械噪声很小。变频器用于一般机械设备的调速,在起动、停止、加速、减速等工况下,均不会产生振动和冲击,故可延长机械设备的使用寿命。

  5.变频器用于输送机调速时转矩平滑

  变频器用于输送机电动机的调速,在负载下加、减速时,也具有性能良好的软起动效果,并且转矩平滑。尤是在重载下起动时,可平稳地提升输出转矩,这是普通减速起动器所无法达到的效果。

  二、变频器产生谐波机理

  变频器是非线性设备,其主电路一般都采用交直交电压逆变方式,外部输入的380V50Hz工频电源,经三相桥式电路整流成直流电压,再电容滤波及大功率晶体管逆变为频率可变的交流电流输出,为需要调速的电动机提供频率可变的电源。根据电动机转速公式n=[(60f)/p](1-s)可知,将输入频率可变的电流,即可实现电动机转速的调节。

  变频器的整流回路是由大功率=极管组成电路,输入电流波形为不规则的矩形波,其波形按傅立叶级数进行分解,除了得到与电源基波频率相同的分量外,还有一系列大于电源基波频率分量的高次谐波。

  谐波实际上是一种干扰量,系指x一个周期电气量的非正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍。每个谐波都有不同的频率、幅值与相角,高次谐波频率与基波频率的比值称为谐波次数,有偶次谐波与奇次谐波之分。一般讲奇次谐波造成危害比偶次谐波更大,在三相整流负载中出现谐波为3、5、7、11、13次谐波。

  同理,在逆变输出回路中,输出电流信号受载波信号调制而变成脉冲波形,其波形按傅立叶级数进行分解,也分得基波和各次谐波。据此,变频器运行中必然会产生高次谐波,当频率可变的并含有颇丰高次谐波交流输入配套电动机,必将对异步电动机造成不良的影响。

  三、变频器产生谐波对电动机影响

  异步电动机具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点而得到广泛使用。对异步电动机拖动系统进行变频调速节能改造时,可不更换原电动机,而在电动机与电源之间串入相配套型号变频器,即可实现异步电动机转速的调节。但由于变频器是非线性设备,运行中必然会产生高次谐波而对电动机造成不良影响。

  按常规设计的异步电动机,均设计在额定频率和额定电压下运行的,只有瞒住运行条件才能确保电动机轴上输出转矩、输出功率达到额定值。然而在变频调速工况下运行的电动机,其输入电流的频率是个变量,通过改变输入电流的频率即可实现异步电动机转速的调节。但由于输入电流频率的变化,故对电动机输出的轴功率会造成影响。所以对不同拖动系统电动机容量的选择上,应考虑这种影响而有一定的容量裕度。

  通常使用中异步电动机,均在额定功率和允许温升条件下运行,其温升是不容易超过规定值。但在变频调速工况下运行的异步电动机,由于输入电流含有颇丰的高次谐波,因为会因谐波电流产生附加损耗。同时因谐波电流影响,而使输出轴功率有所下降,运行效率降低,温升增高等异常情况。异步电动机运行中,若发生温升增高必将导致线圈绝缘的挥发和降解加速,介电强度和体积电阻率下降,还会造成绝缘的炭化而丧失绝缘功能。另外,谐波电流产生的附加磁场,相对于转轴是高速度旋转的,它产生的轴电势较高,会击穿轴承的油膜,使轴电流流过轴承而造成损害。

  异步电动机的线圈间存在着分布电容,高次谐波电压输入时,使各线圈之间的电压分担不均匀,导致承担高电压线圈绝缘老化加速,从而使首匝线圈绝缘损伤。在变频调速拖动系统中,变频器输出电压的幅值是额定电压的3倍,再加上变频器电压变化率(du/dt)很高,它所引起的振荡使电动机线圈收到应力变得更大,导致线圈绝缘老化。在开关频率很高工况下,变频器和电动机之间连接电缆,若是长度过长时会产生驻波,将导致电动机端电压的升高,这种高电压也会加速线圈绝缘的老化,而影响电动机的使用寿命。

  四、变频器产生谐波的治理措施

  1.隔离措施

  隔离是电磁兼容的重要技术措施之一,系指从电路上把干扰源和易受干扰元件隔开,使它们不发生电的联系。在变频调速系统中,通常在电源与放大电路之间使用隔离变压器以消除传导干扰,其次,将不同信号线隔开铺设,或采用屏蔽双绞线,或各自单独走线,使信号线不与电力线平行走线。

  2.屏蔽措施

  屏蔽是电子设备电磁兼容的重要措施,它能有效地抑制通过空间传播的各种干扰源,既可阻止或减少电子设备内的辐射电磁能量对外传播,又可阻止或减少外部辐射对电子设备的影响。根据屏蔽机理,变频器常用的是电场平布,即是采用金属导体的外壳将变频器屏蔽,不让其干扰源泄漏。同时变频器的控制线也要屏蔽,并做好屏蔽层的良好可靠接地。

  3.滤波措施

  滤波既可抑制从电子设备输出的干扰源,又能抑制从电源引入的干扰源。为减少电磁噪声,可在变频器输出侧设置输出滤波器;为减少电源的干扰,可在变频器输入侧设置输入滤波器,同时滤波器外壳应和变频器外壳牢固连在一起并可靠接地,其目的是建设接触电阻,提高滤波效果。

  另外,为抑制变频器输入侧谐波电流,改善功率因数,可在输入端串联交流电抗器;为改善变频器输出电流质量,可在输出侧串联交流电抗器。

  4.接地措施

  接地分为保护接地和工作接地,其作用均为抑制干扰源,提高电子设备抗电磁干扰的能力。变频器的正确可靠接地是抑制噪声和减少干扰主要措施,如将变频器与电源分开接地,其抑制干扰效果更好。

  变频器的接地,先在机柜内将各种接地线汇于柜内的汇流排,然后用粗铜线接到公共接地体上。但应禁止与电源、避雷器的接地线连在一起,接地线之间的绝缘应良好可避免接地干扰。

  5.其他措施

  为避免长电缆产生驻波,变频器与电动机之间连接电缆长度应尽量短,更不能将过长的电缆盘成圈状放在机柜内。变频器进线电缆应套上长约1.5~2米的金属蛇皮管,蛇皮管外壳要可靠接地。

  另外,对变频调速系统,应选用不易输出高反射电压的变频器,以提高运行效率。若有更换拖动系统的原电动机时,最好选用专用的变频器驱动电动机。

  五、结束语

  《节约能源法》已将变频调速列入通用节能技术加以推广。但变频器是非线性设备,运行中必将会引起正弦波形畸变而产生高次谐波,这不仅是电网公害,而且还将对电气设备造成危害并增加损耗。只有采取一系列的谐波治理措施,变频调速的优越性必将得到更好发挥,为变频调速技术的推广应用节能降耗开辟新境界。

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