高壓變頻器供電籠型電動機選型

劉彭飛 陳紅亮 徐宇輝 許旭東

【摘要】從變頻器工作原理入手，分析變頻器對高壓電動機造成的危害，進而對電動機的選型提出針對性的要求。

【關鍵詞】變頻器 高壓電動機 ?供熱

1?引言

目前，火力發電廠受環保壓力，節能減排技術日趨完善，采用變頻調速是電動機最普遍采用的方式。但是，由于在電源主回路增加變頻器后，正弦波形被破壞，引入諧波電壓和諧波電流，正常的工作頻率被任意改變，繼續使用工頻電機能否適用這種工況，在目前對于高壓電動機，在沒有規范、標準可依的情況下，正在使用中的工頻電動機能否是必須更換，新采購的電動機如何給電機制造廠編制技術要求，是本文主要探討的問題。

《新疆華電喀什熱電有限公司供熱系統改造項目》中，由于工藝改造需要，對4臺功率400kW，電壓等級為6kV的工頻循環水泵，將其中2臺改為變頻調速運行。工頻電動機改為變頻運行后，電動機能否繼續使用？工期緊迫的情況下，是否必須重新采購更換，是擺在我們設計人員面前急需答復的問題。我們試圖從《火力發電廠廠用電設計技術規程》中尋找依據，關于廠用電電動機型式選擇描述如下：“”當工藝系統對輔機有變頻調速要求時，應注意變頻調速要求和不同變頻調速原理的變頻器對電動機的要求，如有必要，可選用變頻器調速專用電動機。”這句話模棱兩可，沒有給出明確的答案。但是它指出影響的關鍵因素，即變頻器調速原理。因此，我首先從變頻器調速原理入手，分析不同調速原理對電動機的影響因素，然后，對電動機本身結構進行研究，最后得出電動機選型建議。

2?變頻器原理

電動機轉速n=60f/p，f指電源頻率，p指繞組極對數。在電機極對數不變的情況，通過調整電源的頻率達到調試的目的。變頻器整流及逆變核心元件是IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，它是由是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件。通過三相橋電路晶閘管的導通與關斷整流為直流，在經中間環節電容或電抗濾波后，最后經逆變后變成所需頻率的波形。

按原理分為分為交-交和交-直-交兩種類型;按直流環節的儲能方式，交直交分為電壓型和電流型，原理見圖1和圖2。

2.1?電壓源型

電壓源型變頻器直流電路采用電容器濾波。在波峰時，由電容器儲存電能，在波谷是，電容器釋放電能進行補充，從而使直流電壓保持平穩。

電壓源變頻器主要特點為：輸出電壓為方波，電流為正弦波，圖3。

直流側并聯大電容，相當于電壓源。直流電壓基本無脈動，直流回路呈現低阻抗。由于直流電壓源的箝位作用，交流側輸出的電壓波形為矩形波，并且與阻抗角無關、而交流側輸出的電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。

當交流為阻抗負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能源的作用。

2.2?電流源型

電流源型變頻器直流電路采用電抗器濾波。在波峰時，由電抗器儲存磁場能，在波谷時，電抗器釋放磁場能來進行補充，從而使直流電流保持平穩。

2.3?控制回路

PWM控制（Pulse Width Modulation），脈寬調制技術，通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來獲得等效的獲得所需要的波形（形狀和幅值）;SPWM控制（Sinusoidal Pulse Width Modulation）正弦脈寬調制技術，通過對一系列寬窄不等的脈沖的寬度進行調制，來獲得等效的獲得所需要的波形（幅值、相位和頻率）。

2.4?小結

本工程6kV高壓變頻器采用廣州智光產品，型號Zinvert-A5H450/06B，技術原理為多電平串聯，交直交、電壓源型、高高方式，控制方式矢量控制、SPMW控制，遠方/就地，模擬量/開關量/通訊。

實際工程應用中，普遍采用的是采用矢量控制、電壓源型變頻器，電流源型由于諧波含量較大，較少采用。

3?不利影響因素及選型要求

變頻器多采用交-直-交結構，將50Hz工頻變換成各種頻率的交流電源。輸入為標準正弦波形，經變頻器整理元件變成直流電壓，在經晶體管開關元件成頻率可調的交流。

工頻電動機是基于頻率50Hz恒定頻率和恒定電壓的正弦波作為交流電源制造。因此在使用變頻器的輸出作為電機的交流電源時，對電機運行特性做特殊的要求是必要的。

3.1?脈沖電壓

脈沖電壓通過電纜傳輸時，電纜的阻抗與負載的阻抗不匹配，在負載端會產生反射，進而導致入射波與反射波疊加，形成更高的電壓，幅值高達額定電壓的2～3倍。過高電壓加在電機繞組線圈上，對線圈形成持續的沖擊，加速電機損壞。頻率越高對電機、電纜沖擊次數越多，頻率越低，電流畸變越嚴重。

3.2?諧波電流

諧波是指對周期性非正弦交流量進行傅里葉級數分解所得到的大于基波頻率整數倍的各次分量，以3、5、7、13奇次諧波含量較高。變頻器的諧波含量關鍵參數取決于變頻器的整流脈沖數，從6、12、18等，整流脈沖數值越小，諧波含量就越大。

變頻器輸出波形存在著諧波成分，諧波電壓和諧波電流施加在電動機定子繞組上，就會造成附加的損耗，主要體現為諧波銅耗和鐵耗。而且這種損耗與轉速并不成正比，研究表明，轉速越低，損耗越大，這對長期低速運行的電機尤為不利。

3.3?絕緣結構的壽命

電動機冷卻風扇一般與電機同轉速，風量與轉速成正比。當電機低速運行時，風冷減少，而此時附加的諧波銅耗又較大，溫升就會超過電機的絕緣水平，加快絕緣老化。因此，若采用工頻電機，在訂貨時需提出提高絕緣等級的要求;并且，采用冷卻效果與轉速無關的冷卻方式，如獨立風扇或水冷等。

3.4?軸承電流

在電壓型變頻器供電運行時，電動機會同時出現軸電壓和軸承電壓。當超過軸承絕緣強度時，就形成一個電流通路，在旋轉過程中，由于絕緣油的阻斷，電流接通和開斷交通狀態，于是產生電弧，燒壞軸桿、滾軸的表面，形成凹坑，逐漸惡化。

3.5?電動機額定電壓

本項目中，變頻器布置于一期原有材料間，而循環水泵布置于循環水泵房，兩者距離約100米。由于變頻器、濾波器及接線電纜引起的電壓降，因此選擇額定電壓需考慮這些因素。

3.6?轉矩降低

電動機本身，產生附加諧波損耗來源有2個，一個是電機勵磁電動勢在氣隙中產生的磁場非正弦波，因此在定子繞組內感應的電動勢也非正弦波，除了基波外還存在一系列諧波;一個是定子電流，即變頻器的輸出電流。電機本身固有諧波很難消除，又加上額外的諧波，而且，變頻器的諧波在定子中生產諧波轉矩，一系列的高次諧波，在電機氣隙空間形成反向的磁勢，和電子磁場一樣，諧波磁場也切割導體轉子并產生感應電流。籠型電機產生的轉子磁場與諧波磁場具有相同極數，相同的轉速，因此，異步電機轉子電流和諧波磁場相互作用，產生附加電磁異步轉矩。諧波轉矩與電動機轉向相反，為制動的轉矩。

電動機不同型號，它的啟動轉矩、啟動電流、轉差率等參數均不同。當使用PWM調速時，應考慮電動機及轉速轉矩特性。在工藝需要較高啟動轉矩時，可以通過選擇低基速的電機、基速較低的電機在低速時具備較大的轉矩，而且電流較小。

3.7?轉速

長期低速運行時，熱裕度要大或強迫冷卻;軸承長期運行于10%基速一下，滑動軸承性能要由制造廠確認。在電動機高于額定轉速以上運行時，其噪音和振動強度將會增大。要求電動機做精細的較平衡以滿足在額定轉速以上加速能力。此外，軸承壽命可能會降低，并關注加油的間隔時間補充潤滑油。

3.8?轉子結構

變頻器的各次諧波，在定子、轉子導體中產生集膚效應，使得導體有效截面減少，電阻增大，進而電子、轉子銅耗增大。而且，轉子損耗占電機總損耗的比例最大，尤其是低速運行時。集膚效應的強弱取決于轉子電流的頻率和槽形尺寸。因此，在訂購電機時，要求廠家要特別注意轉子槽形的選擇，最大限度減少集膚效應。

4?工程實例

新疆喀什項目由于供熱工期緊急，業主堅持利用原來的6kV熱網循環泵電機，作為設計人員來講，安全、可靠肯定是放在第一位的。因此我們利用ETAP軟件建立一個諧波計算模型，來分析一下變頻器諧波含量值是否滿足國家標準。廣州智光A5系列變頻器采用脈沖數量為30，經過計算分析，諧波總量約2%，波形如圖4，低于GB/T14549 和IEEE519規定。對電機的主要危害就諧波，經和廠家溝通，對電動機、對變頻器至電機的長度均不作要求，至此，我們才同意業主要求，但要求在運行過程中，密切關注電機繞組溫度，加強維修保養。

5?結論及建議

綜上，當采用工頻電機用作變頻使用時，需對變頻器訂貨提出較為嚴格的要求，并在加強運行維護，密切關注電機運行狀況，尤其是發熱。在新建工程中，在采購電動時，建議統一采用變頻器專用電機，畢竟變頻扭曲了工頻的正弦波形，雖然隨著電力電子技術的不斷完善發展，采用的PMW、矢量控制以先進的算法，但讓無法保證對電機的零傷害。尤其針對關乎民生的供熱項目，對電氣設備運行的可靠性要求更高。在使用變頻器的場合，應從電動機廠家索取有關數據，以保證電機的過電壓能力、轉矩特性、對諧波的承受能力等。以上為本人結合實際設計經驗總結，與同行分享。

參考文獻：

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