PWM變頻器輸出過電壓和諧波對電動機的影響及抑制措施

1、PWM變頻器輸出過電壓和諧波對電動機的影響及抑制措施隨著電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論在交流變頻器調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用，特別是近年來，IGBT等高開關(guān)速率的電力電子器件及PWM變頻調(diào)速技術(shù)的進步，變頻器(或逆變器)越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，并且有取代直流調(diào)速傳動的趨勢。從目前國內(nèi)看，中小容量的變頻器調(diào)速系統(tǒng)使用的比較廣泛，研制和開發(fā)技術(shù)還比較成熟，在使用的變頻器中，低壓變頻器和100kW 以下的變頻器占絕大多數(shù)，其中70以上應(yīng)用在風(fēng)機泵類負(fù)載及壓縮機上，如供水與供暖系統(tǒng)、輸液系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)。在我國拖動風(fēng)機泵類負(fù)載的電動機中，雖然大功率在數(shù)量上僅占20 ，但在容量上卻占80以上。因此，大

2、功率電動機的變頻調(diào)速是現(xiàn)在節(jié)能措施中極為重要的手段。石化、化工、采礦、鋼鐵、發(fā)電及自來水廠等行業(yè)所擁有的大功率風(fēng)機泵類負(fù)載節(jié)能改造對大功率變頻器的需求很大，這對變頻器行業(yè)來說是一急需開發(fā)的市場。但是，目前在我國變頻器的生產(chǎn)廠家中，實際能生產(chǎn)大功率低壓變頻器的還不多，大多數(shù)廠家實際上僅能生產(chǎn)75kW甚至是37kW以下的變頻器。研究PWM逆變器供電對異步電動機的影響，不僅可以對電機和大功率變頻器的設(shè)計和應(yīng)用具有現(xiàn)實意義，而且對電機絕緣壽命有重要意義。 PWM供電對電動機的影響 PWM變頻調(diào)速對異步電動機的影響有很多方面，我現(xiàn)在從PWM變頻器對電網(wǎng)和對電動機這兩端來看，談以下主要兩點： 1. 機端過

3、電壓 PWM變頻器輸出的具有陡上升沿或下降沿的脈沖電壓卻在電動機接線端子及繞組上產(chǎn)生了過電壓，造成電動機繞組絕緣的過早破壞，許多變頻電動機壽命只有12年，甚至有些在試運行期間電動機絕緣就發(fā)生擊穿破壞。文獻1中試驗研究表明，很高的電壓上升率( )在電動機繞組上產(chǎn)生不均勻的電壓分布，隨著變頻器與電動機之間電纜長度的增加，在電動機接線端子上將產(chǎn)生近2倍高頻振蕩的過電壓，而且電纜越長，過電壓的峰值越大，長時間重復(fù)性的過電壓應(yīng)力的作用將致電動機繞組匝間絕緣的過早破壞。 在文獻1中，也表明變頻器開關(guān)器件高的開關(guān)頻率會造成上升沿時間很短，電力晶體管(GTR)和IGBT通常時間小于0.1,GTO常處于2-10

4、,這樣使電機在很短的時間內(nèi)承受很高的峰值電壓；有些電機制造商給出了可以接受的上升時間，一般希望上升時間大約為5，而且過電壓和入射電壓、反射電壓都在tr上升時間內(nèi)同時急劇增加，這對電機來講，長時間的作用會損壞電機。 在文獻2中，PWM驅(qū)動電機的輸出電壓幅值和頻率通過控制逆變器開關(guān)狀態(tài)來改變的，高的開關(guān)頻率最明顯的優(yōu)點是減少低次諧波，可以減少輸出濾波器的容量，但過快的電壓變化能夠引起嚴(yán)重的絕緣問題，對于每個脈沖的前沿和后沿在短時間內(nèi)都有高頻衰減振蕩，而且峰值電壓的85都降落在第一個線圈上的第一匝，易引起匝間故障。 2變頻器電源的諧波 變頻器的主電路一般為交-直-交組成，外部輸入380V/50Hz的

5、工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓信號，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級數(shù)分解為基波和各次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。在逆變輸出回路中，輸出電壓信號是受PWM載波信號調(diào)制的脈沖波形，對于GTR大功率逆變元件，其PWM的載波頻率為23kHz，而IGBT大功率逆變元件的PWM最高載頻可達15kHz。同樣，輸出回路電流信號也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，而高次諧波電流對負(fù)載直接干擾。諧波電壓和電流對電動機影響更大，會增加電動機的鐵耗和銅耗，使電動機溫度上升，效率下降，并產(chǎn)生噪聲，還會使

6、電動機轉(zhuǎn)子振動，甚至造成電機損壞，諧波還對通信以及電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，影響周圍設(shè)備的正常運行。同時，諧波引起電纜內(nèi)耗加大，電纜發(fā)熱，縮短電纜的使用壽命；而高次諧波對電容的影響更為突出，含有高次諧波的電壓加至電容兩端時，由于電容器對高次諧波的阻抗很小，所以電容器很容易發(fā)生過負(fù)荷導(dǎo)致?lián)p壞。高次諧波的干擾，往往還會導(dǎo)致電動機保護開關(guān)誤動作，造成電網(wǎng)停電，嚴(yán)重影響用電設(shè)備的正常工作。同時，高次諧波電流還通過電纜向空間輻射，對通訊設(shè)備也產(chǎn)生干擾信號。 文獻6中，用傅立葉分析方法把PWM變頻器輸出脈沖進行頻譜分析，由于PWM在三相橋式逆變電路情況下，根據(jù)晶體管V1-V6的導(dǎo)通和截止的不同組合，三相輸出端

7、U、V、W相對于直流回路的中點0的電位分別為+E/2或-E/2,而輸出線電壓為+E、-E、0。經(jīng)過分析，得到三相變頻器輸出線電壓的基波和諧波幅值，諧波含量和幅值比較高，對電動機的影響比較嚴(yán)重。 解決方案初探 1抑制諧波常用的方法 逆變器是電力電子裝置中的重要組成部分，是不間斷電源、交流電氣傳動、中頻電源等許多設(shè)備的核心，因而其研究工作倍受人們的關(guān)注，研究的焦點是如何方便地調(diào)節(jié)逆變電源的輸出電壓和頻率，并降低諧波含量，改善輸出波形。迄今為止，降低諧波含量和調(diào)節(jié)輸出電壓（大小或頻率）的常用措施有： （1）對逆變電源的開關(guān)進行高頻PWM調(diào)制，使逆變器輸出為高頻等幅的PWM波； （2）通過改變逆變電源

8、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在主電路上進行波形重構(gòu)以實現(xiàn)階梯波形輸出，減小低階高次諧波含量； 對于高頻PWM調(diào)制來說，開關(guān)頻率越高，諧波含量越小，但開關(guān)損耗也越大，故不宜用在大功率逆變電源中。而波形重構(gòu)方式往往需要多個逆變器來實現(xiàn)電壓的疊加。波形重構(gòu)的級數(shù)越多，出現(xiàn)的最低諧波次數(shù)越高，但主電路和控制電路也越復(fù)雜，相應(yīng)地控制難度也越大，輸出電壓的調(diào)節(jié)也不甚方便，因此這種方式通常只在大功率逆變電源中采用。理論分析表明，早在1973年提出的消諧控制策略能有效地克服上述問題，它只需要較少的開關(guān)脈沖數(shù)即可完全消除容量較大的低階高次諧波，取得很好的濾波效果，具有開關(guān)頻率低、開關(guān)損耗小、電壓利用率高、濾波容量小等許多優(yōu)

9、點，是實現(xiàn)逆變電源PWM控制的理想方法。然而該方法經(jīng)過近二十年的研究至今仍未實際應(yīng)用，其主要原因是消諧模型的求解復(fù)雜，難以獲得實時控制。文獻5中，提出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)輸出電壓調(diào)制比、載波頻率和逆變電路開關(guān)滯時等參數(shù)，可以減少諧波對電機的影響。以上的消除諧波多是從變頻器的逆變側(cè)出發(fā)，通過各種有效措施來減少輸出的諧波含量。 從諧波對電網(wǎng)的影響來看，治理諧波問題基本思路是：第一，對電力電子裝置本身進行有效地控制，改造本身的性能，使其功率因數(shù)可控制為1，不產(chǎn)生諧波；第二，裝諧波補償裝置來補償諧波源，使其注入電網(wǎng)的諧波幾乎為0.傳統(tǒng)裝設(shè)諧波補償裝置的方法是采用LC調(diào)諧濾波器，它的基本原理是利用LC串聯(lián)諧振，為

10、濾除特定次諧波提供阻抗極低的通路，使其不注入電網(wǎng)，同時還可以補償無功功率。如圖(1)所示，這種消諧方式結(jié)構(gòu)簡單，不必要控制回路，運行費用低，造價相對也較低，一直被廣泛使用。這種方法主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，容易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。但是目前LC濾波器仍是補償諧波的主要手段，而且常用單調(diào)諧和二階高通濾波器組合來濾波，二階高通其結(jié)構(gòu)如圖(1)。 由于LC濾波器本身缺點，國內(nèi)外都探索采用其他濾波方式來進行電網(wǎng)諧波抑制。有源濾波器(APF)就是一種能夠彌補無源濾波器不足的新型濾波設(shè)備。它的基本原理是向系統(tǒng)電網(wǎng)注入補償諧波電流，以抵消非線性負(fù)載所產(chǎn)

11、生的諧波電流。如圖(2)所示。 有源濾波器基本原理可用如下一組公式來描述： , , , ，式中 表示為負(fù)載電流的基波分量； 但是有源濾波器的使用要求有較大的容量來提供足夠的補償電流。因此，文獻7又提出了混合型有源濾波器，它的優(yōu)點在于結(jié)合了無源濾波器和有源濾波器的優(yōu)點，克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點，又可獲得良好的補償性能。無源LC濾波器典型組成可以濾除特征諧波，如5、7、9、11等，這樣，絕大多數(shù)由諧波源產(chǎn)生的諧波已由LC濾波器濾除，有源濾波器只需要補償LC濾波器未能補償?shù)闹C波，因而，有源濾波器只需要提供很小的補償電流，容量不需要很大。 2機端過電壓的抑制 在電機端子上安裝阻抗匹配器可

12、以很大程度地消除過電壓，最簡單的是并聯(lián)一個與電纜的波阻抗接近的電阻，但在電阻上功耗很大。采用阻抗匹配與濾波于一體低通濾波器，它是將電阻和電容串聯(lián)后并聯(lián)在電機接線端子相相之間，如圖(2) 要阻止機端過電壓，必須正確地選擇濾波器參數(shù)，對于任意容量或電壓等級的變頻調(diào)速系統(tǒng)，濾波器參數(shù)的選取應(yīng)根據(jù)變頻器的上升時間及幅值、電纜和電動機的波阻抗及電纜長度來確定。文獻3中試驗表明，一般來說，驅(qū)動系統(tǒng)的容量越大，變頻器的上升時間就越長，電纜和電動機的波阻抗就越小，濾波器的參數(shù)Rf和Cf則相應(yīng)減小。對于濾波電阻Rf的阻值應(yīng)該與電纜的波阻抗Z0相等，而電動機的沖擊阻抗(或波阻抗)遠大于Z0,這樣負(fù)載阻抗近似為電阻

13、，電纜末端的負(fù)載阻抗與電纜的波阻抗相匹配，那末在電機機端就不會產(chǎn)生電壓波的全反射，也不會形成過電壓。 濾波器的Rf和Cf與電動機端過電壓的關(guān)系： (1) 濾波器的電容值Cf越大，Rf越小，過電壓倍率(上升沿處的電壓峰值Vm與穩(wěn)態(tài)值V之比)就越?。?(2) 過電壓倍率隨電容增加而變化幅度與Rf有關(guān)，Rf越大，過電壓倍率隨電容變化幅度越小，當(dāng)Rf大于一定阻值時，過電壓倍率隨電容的增加，變化幅度很??； 濾波器的Rf與Cf與電動機端上升沿時間的關(guān)系： (1) Rf越小，上升沿時間tr就越大，且隨Cf的增大而增加，但Cf超過一定值時，tr趨于飽和，與電容值無關(guān)； (2) 電纜長度L越長，上升沿時間也相應(yīng)

14、增加，這樣電壓變化率就越小； 在文獻9中，為了抑制電動機端電壓反射現(xiàn)象，可采用RC一階無源濾波器來顯著減少電動機端的過電壓，消除了高頻阻尼震蕩現(xiàn)象，從而避免電動機絕緣的快速老化甚至損壞。通過分析表明，電壓反射現(xiàn)象與逆變器輸出脈沖的上升時間以及電纜的長度有關(guān)，PWM上升時間越短，電纜長度越長，反射越明顯。 在文獻8中提出使用新的逆變器輸出濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠有效減少高頻諧波引起電動機軸承和絕緣損害。新的濾波器是由LC濾波器和RLC濾波網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)構(gòu)成，如圖(3) LC濾波器由變頻器開關(guān)頻率來調(diào)諧，能夠十分有效地濾掉開關(guān)頻率出地電壓諧波，在開關(guān)頻率處阻抗為無窮大，濾波器的諧振角頻率為 ，對于RLC濾波器而言,也要滿足一定的條件。此種新的濾波器結(jié)構(gòu)使輸出波形比較平緩，可以降低輸出脈沖的過電壓和上升沿時間，相對于傳統(tǒng)的并在電動機出口的RC濾波而言，如圖(4),它能夠很好的消除過電壓對電機的影響。 總結(jié) 從上述所講，