高压变频器供电笼型电动机选型

刘彭飞 陈红亮 徐宇辉 许旭东

【摘要】从变频器工作原理入手，分析变频器对高压电动机造成的危害，进而对电动机的选型提出针对性的要求。

【关键词】变频器 高压电动机  供热

1 引言

目前，火力发电厂受环保压力，节能减排技术日趋完善，采用变频调速是电动机最普遍采用的方式。但是，由于在电源主回路增加变频器后，正弦波形被破坏，引入谐波电压和谐波电流，正常的工作频率被任意改变，继续使用工频电机能否适用这种工况，在目前对于高压电动机，在没有规范、标准可依的情况下，正在使用中的工频电动机能否是必须更换，新采购的电动机如何给电机制造厂编制技术要求，是本文主要探讨的问题。

《新疆华电喀什热电有限公司供热系统改造项目》中，由于工艺改造需要，对4台功率400kW，电压等级为6kV的工频循环水泵，将其中2台改为变频调速运行。工频电动机改为变频运行后，电动机能否继续使用？工期紧迫的情况下，是否必须重新采购更换，是摆在我们设计人员面前急需答复的问题。我们试图从《火力发电厂厂用电设计技术规程》中寻找依据，关于厂用电电动机型式选择描述如下：“”当工艺系统对辅机有变频调速要求时，应注意变频调速要求和不同变频调速原理的变频器对电动机的要求，如有必要，可选用变频器调速专用电动机。”这句话模棱两可，没有给出明确的答案。但是它指出影响的关键因素，即变频器调速原理。因此，我首先从变频器调速原理入手，分析不同调速原理对电动机的影响因素，然后，对电动机本身结构进行研究，最后得出电动机选型建议。

2 变频器原理

电动机转速n=60f/p，f指电源频率，p指绕组极对数。在电机极对数不变的情况，通过调整电源的频率达到调试的目的。变频器整流及逆变核心元件是IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，它是由是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。通过三相桥电路晶闸管的导通与关断整流为直流，在经中间环节电容或电抗滤波后，最后经逆变后变成所需频率的波形。

按原理分为分为交-交和交-直-交两种类型;按直流环节的储能方式，交直交分为电压型和电流型，原理见图1和图2。

2.1 电压源型

电压源型变频器直流电路采用电容器滤波。在波峰时，由电容器储存电能，在波谷是，电容器释放电能进行补充，从而使直流电压保持平稳。

电压源变频器主要特点为：输出电压为方波，电流为正弦波，图3。

直流侧并联大电容，相当于电压源。直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。由于直流电压源的箝位作用，交流侧输出的电压波形为矩形波，并且与阻抗角无关、而交流侧输出的电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

当交流为阻抗负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能源的作用。

2.2 电流源型

电流源型变频器直流电路采用电抗器滤波。在波峰时，由电抗器储存磁场能，在波谷时，电抗器释放磁场能来进行补充，从而使直流电流保持平稳。

2.3 控制回路

PWM控制（Pulse Width Modulation），脉宽调制技术，通过对一系列脉冲的寬度进行调制，来获得等效的获得所需要的波形（形状和幅值）;SPWM控制（Sinusoidal Pulse Width Modulation）正弦脉宽调制技术，通过对一系列宽窄不等的脉冲的宽度进行调制，来获得等效的获得所需要的波形（幅值、相位和频率）。

2.4 小结

本工程6kV高压变频器采用广州智光产品，型号Zinvert-A5H450/06B，技术原理为多电平串联，交直交、电压源型、高高方式，控制方式矢量控制、SPMW控制，远方/就地，模拟量/开关量/通讯。

实际工程应用中，普遍采用的是采用矢量控制、电压源型变频器，电流源型由于谐波含量较大，较少采用。

3 不利影响因素及选型要求

变频器多采用交-直-交结构，将50Hz工频变换成各种频率的交流电源。输入为标准正弦波形，经变频器整理元件变成直流电压，在经晶体管开关元件成频率可调的交流。

工频电动机是基于频率50Hz恒定频率和恒定电压的正弦波作为交流电源制造。因此在使用变频器的输出作为电机的交流电源时，对电机运行特性做特殊的要求是必要的。

3.1 脉冲电压

脉冲电压通过电缆传输时，电缆的阻抗与负载的阻抗不匹配，在负载端会产生反射，进而导致入射波与反射波叠加，形成更高的电压，幅值高达额定电压的2～3倍。过高电压加在电机绕组线圈上，对线圈形成持续的冲击，加速电机损坏。频率越高对电机、电缆冲击次数越多，频率越低，电流畸变越严重。

3.2 谐波电流

谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，以3、5、7、13奇次谐波含量较高。变频器的谐波含量关键参数取决于变频器的整流脉冲数，从6、12、18等，整流脉冲数值越小，谐波含量就越大。

变频器输出波形存在着谐波成分，谐波电压和谐波电流施加在电动机定子绕组上，就会造成附加的损耗，主要体现为谐波铜耗和铁耗。而且这种损耗与转速并不成正比，研究表明，转速越低，损耗越大，这对长期低速运行的电机尤为不利。

3.3 绝缘结构的寿命

电动机冷却风扇一般与电机同转速，风量与转速成正比。当电机低速运行时，风冷减少，而此时附加的谐波铜耗又较大，温升就会超过电机的绝缘水平，加快绝缘老化。因此，若采用工频电机，在订货时需提出提高绝缘等级的要求;并且，采用冷却效果与转速无关的冷却方式，如独立风扇或水冷等。

3.4 轴承电流

在电压型变频器供电运行时，电动机会同时出现轴电压和轴承电压。当超过轴承绝缘强度时，就形成一个电流通路，在旋转过程中，由于绝缘油的阻断，电流接通和开断交通状态，于是产生电弧，烧坏轴杆、滚轴的表面，形成凹坑，逐渐恶化。

3.5 电动机额定电压

本项目中，变频器布置于一期原有材料间，而循环水泵布置于循环水泵房，两者距离约100米。由于变频器、滤波器及接线电缆引起的电压降，因此选择额定电压需考虑这些因素。

3.6 转矩降低

电动机本身，产生附加谐波损耗来源有2个，一个是电机励磁电动势在气隙中产生的磁场非正弦波，因此在定子绕组内感应的电动势也非正弦波，除了基波外还存在一系列谐波;一个是定子电流，即变频器的输出电流。电机本身固有谐波很难消除，又加上额外的谐波，而且，变频器的谐波在定子中生产谐波转矩，一系列的高次谐波，在电机气隙空间形成反向的磁势，和电子磁场一样，谐波磁场也切割导体转子并产生感应电流。笼型电机产生的转子磁场与谐波磁场具有相同极数，相同的转速，因此，异步电机转子电流和谐波磁场相互作用，产生附加电磁异步转矩。谐波转矩与电动机转向相反，为制动的转矩。

电动机不同型号，它的启动转矩、启动电流、转差率等参数均不同。当使用PWM调速时，应考虑电动机及转速转矩特性。在工艺需要较高启动转矩时，可以通过选择低基速的电机、基速较低的电机在低速时具备较大的转矩，而且电流较小。

3.7 转速

长期低速运行时，热裕度要大或强迫冷却;轴承长期运行于10%基速一下，滑动轴承性能要由制造厂确认。在电动机高于额定转速以上运行时，其噪音和振动强度将会增大。要求电动机做精细的较平衡以满足在额定转速以上加速能力。此外，轴承寿命可能会降低，并关注加油的间隔时间补充润滑油。

3.8 转子结构

变频器的各次谐波，在定子、转子导体中产生集肤效应，使得导体有效截面减少，电阻增大，进而电子、转子铜耗增大。而且，转子损耗占电机总损耗的比例最大，尤其是低速运行时。集肤效应的强弱取决于转子电流的频率和槽形尺寸。因此，在订购电机时，要求厂家要特别注意转子槽形的选择，最大限度减少集肤效应。

4 工程实例

新疆喀什项目由于供热工期紧急，业主坚持利用原来的6kV热网循环泵电机，作为设计人员来讲，安全、可靠肯定是放在第一位的。因此我们利用ETAP软件建立一个谐波计算模型，来分析一下变频器谐波含量值是否满足国家标准。广州智光A5系列变频器采用脉冲数量为30，经过计算分析，谐波总量约2%，波形如图4，低于GB/T14549 和IEEE519规定。对电机的主要危害就谐波，经和厂家沟通，对电动机、对变频器至电机的长度均不作要求，至此，我们才同意业主要求，但要求在运行过程中，密切关注电机绕组温度，加强维修保养。

5 结论及建议

综上，当采用工频电机用作变频使用时，需对变频器订货提出较为严格的要求，并在加强运行维护，密切关注电机运行状况，尤其是发热。在新建工程中，在采购电动时，建议统一采用变频器专用电机，毕竟变频扭曲了工频的正弦波形，虽然随着电力电子技术的不断完善发展，采用的PMW、矢量控制以先进的算法，但让无法保证对电机的零伤害。尤其针对关乎民生的供热项目，对电气设备运行的可靠性要求更高。在使用变频器的场合，应从电动机厂家索取有关数据，以保证电机的过电压能力、转矩特性、对谐波的承受能力等。以上为本人结合实际设计经验总结，与同行分享。

参考文献：

【1】辜承林 ，陳乔夫 ，熊永前 电机学-华中科技大学出版社 2001.2

【2】徐海，施利春，孙佃升，王东辉 变频器原理及应用 2010.9

【3】林晖，西门子变频器的谐波计算-变频器世界 2016.2