二电平变频器输出对电动机的影响及应对措施

潘 星， 卢嘉华

(浙江省电力试验研究院，浙江杭州 310014)

0 引言

变频器主要应用于交流电机转速的调节，是理想的调速方案。变频调速以其自身所具有的调速范围广、调速精度高、动态响应好、节能效果显著等优点，在许多需要精确速度控制的应用中发挥着提高产品质量和生产效率的作用［1］。

变频器输出的电压电流波形是由开关元件通过一系列的控制调制而成，与完美的正弦交流波形存在较大差异，变频器输出电压的非线性、脉冲性、重复性等特征严重恶化了电动机的电气运行环境，容易造成电机温升噪声增加、绝缘老化加剧等不良后果，缩短电机使用寿命，甚至破坏电机绝缘，造成电机损坏。

1 电压源型高压变频器拓扑结构

文献［2-3］中关于各类变频器的拓扑结构有较全面的描述。图1为电压源型变频器的基本结构，采用二电平逆变方式，电路控制简单、技术成熟、体积小、成本低，可广泛应用于轧机、起重机、电力机车牵引、船舶主传动、风机、水泵等。但二电平逆变存在对单管的耐压要求高，且输出电压的du/dt大、所含低次谐波分量相对较高等问题。

图1 交-直-交电压源型变频器基本结构

图2是三相二极管钳位三电平逆变器主电路，三电平结构变频器的转矩纹波和电机噪声较低，对电机绝缘无损害，典型应用于风机水泵、传送带驱动、矿石粉碎机、轧机、挤压机、窑传动等。但其开关元件一般采用GTO或IGCT器件，需要复杂的缓冲电路和门极触发电路，输出电压波形畸变严重。

图3为多电平串联的H桥逆变器结构，采用低压绝缘栅双极晶体管(IGBT)，输出波形完美无谐波，转矩纹波和电机噪声较低，对电机绝缘无损害，典型应用于风机和水泵调速。但其器件多，使得可靠性差，节点多增加连接难题，大量变压器使电气室的空间和散热成为问题。

图2 二极管箝位三电平逆变器结构

图3 多电平串联H桥变频器结构

二电平结构的不利因素使其在高电压等级中的应用受到一定限制，人们通过拓扑结构的多重化来实现高压逆变器的应用，但由于多重化结构器件较多，带来了制造成本高、可靠性差、主要一次设备的连接及散热困难等问题。因此，现阶段在常规IGBT最高反向耐压允许范围内(1 000～1 200 V)，二电平逆变变频器仍是首选。

2 谐波和温升问题及其应对措施

变频器供电电压波形均为非正弦波，存在一系列高次谐波电压，高次谐波电压会使电机产生附加铜损、铁损、附加机械损耗等，谐波产生的集肤效应使转子电阻增加导致转差铜耗显著增加，这些附加损耗导致电机有额外温升，电机往往要降额使用。

逆变回路采用多电平技术，一定程度上可改善变频器输出谐波，如将两组二电平逆变回路直流侧并联，导通角为θ，移相角为φ，设逆变输出分别为U1和U2，分别如式(1)、(2)所示:

叠加后电压U为

根据式(1)～(3)，选择合适的导通角θ和移相角φ，可使得输出电压U选择性的消除一部分谐波。安装滤波器也是抑制谐波的常用办法之一，但在变频器输出侧采用滤波器仅适应电压、频率都恒定的控制方式，对于输出电压和频率变化的情况，很少采用滤波器。

变频器采用正弦脉宽调制(SPWM)逆变对于减少低次谐波输入有较好效果［4-5］，理论计算证明，当调制波频率为ft，载波频率为fc(fc≫ft)时，输出电压半周的脉冲数为p=fc/(2ft)，SPWM波形中(2p-1)次以下谐波均能被消除或抑制，提高开关器件的开关频率可有效降低谐波电压总畸变率。

在频率均为50 Hz的情况下，变频器供电电动机与工频电源(正弦波)供电情况相比，由于高次谐波的影响，电动机的功率因数和效率都降低，电流增大，电动机产生的损耗增加［6］。电机运行频率超过50 Hz时，集肤效应使得转子电阻显著增加，引起转子发热增加［7］。当变频器输出频率低于50 Hz时，电动机转速降低，从而使得基波电流所引起的损耗大幅度减少，但由于高次谐波分量引起的损耗基本上与空载时相同，所以负载越轻，高次谐波引起的损耗比重就越大，效率、功率因数等特性将恶化，频率的下降使得转速变慢，令电动机冷却效果明显变差，电动机的温升增加。

针对变频器供电电动机运行中温升高的情况，实际工程中可采取以下措施加以改善［6-7，8］:

(1)对于同一负载，当电动机用变频器供电时，电动机容量应该比用标准工频电源供电时的大;

(2)如果电动机采用变频器在与标准工频电源相同的电压、频率、转矩下运行，由于高次谐波电流的影响而使温度增高，若增高的部分在该电动机的热余量之内，则电动机可在额定功率下使用;若超过电动机的热余量，则必须减小工作电流;

(3)对于在低频区也需要恒转矩运转的负载，电动机的温升会显著增高，此时可采用强迫冷却(如用大风扇吹)的措施来降温，或增大电动机和变频器的容量;

(4)采用短距绕组、分布绕组、斜槽等办法也可改善高次谐波对电机发热的影响;为减小集肤效应对电机发热的影响，中型电机常采用绕组编制换位、圈式线圈端部扭转换位等方法。

3 电压尖峰问题及其应对措施

3.1 电压尖峰问题分析

电压源形变频器逆变侧一般采用脉宽调制(PWM)控制，开关元器件高速导通和关断，变频器输出的电压波形为幅值固定、宽度按正弦规律变化的矩形脉冲电压。矩形波脉冲电压通过电缆传输后易在电动机端产生电压尖峰。

电压尖峰现象可通过输出电压的高频谐波在传输线上的行波理论作解释，由于变频器输出的电压是具有极快上升沿和下降沿的方波脉冲，当通过连接电缆(或电线)把能量传输给电动机时，在电缆两端产生波的反射和折射，其反射(或折射)的程度取决于变频器、电缆和电动机的波阻抗。电动机的波阻抗远大于电缆的波阻抗，电缆末端(即电动机端)产生接近2倍的尖峰过电压，并发生高频振荡。尖峰过电压易引起变频牵引电机内部局部放电［9-10］。随开关频率升高、电压上升时间的缩短、局部放电次数增加且放电行为加剧，导致电动机绕组绝缘的老化更为严重，缩短电机的使用寿命，甚至在薄弱环节击穿，损坏电机。

3.2 电压尖峰现象仿真结果

PWM逆变输出电压经电缆传输产生电压尖峰的现象，可通过PSCAD/EMTDC软件仿真更直观地表示，仿真示意图如图4所示，观察电缆始、末端电压情况。仿真计算假定直流侧电压为理想无波动直流电源930 V，电缆长度100 m，变频器采用6脉波PWM控制，仿真计算结果如图5～7所示。仿真计算结果表明变频器输出电压最高不超过1 000 V，电缆末端尖峰电压接近2 000 V。电缆始、末端电压信号的幅频特性比较如图8所示，可见末端电压高频分量较始端电压高。

图4 仿真建模示意图

图5 变频器输出电压Uab

图6 电缆末端电压Uab

图7 两个电压波形比较

图8 两个电压频谱比较

电压尖峰产生的过电压极易引起电机绕组绝缘损坏，绕组绝缘的电介质应力由电动机端电压峰值、上升时间，以及变频器产生的脉冲频率来确定。短上升时间的脉冲导致电压在整个线圈绕组中分布不均衡，在相绕组最初几匝的线端呈现出高强度应力［11-12］。图9给出了在一个50匝线圈上的电压分布与脉冲上升时间的关系曲线，可以说上升时间越短，线圈第一匝上的电压就越大，该处绝缘往往成为薄弱环节，先行击穿。该情况下，介质击穿易在机端电压低于局部放电起始电压(PDIV)强度时出现。普通电机出厂时一般只进行工频耐压试验，这种类型的绝缘耐受能力无法通过常规的工频耐压试验得到反映。图9中:Δv为第一匝上的电压(输出电压的百分数)，tr为脉冲上升时间。

3.3 电压尖峰问题应对措施

国内、外对于抑制二电平变频器输出电压尖峰问题的研究较多，这里列举几种［11］。

图9 第一匝上的电压与脉冲上升时间的关系

(1)利用电动机/变频器整体组合的办法可使装置降低电压尖峰。但对于变频改造的工程，原先的设计往往没考虑足够场地，因此很难实现。

(2)考虑将变频器输出电缆更换为参数更为理想的变频电动机专用电缆，选用具有较高电介质损耗的电缆(如丁基橡胶或油纸)，可以减小电压振荡，抑制电机侧的过电压水平，并能提高电磁兼容的质量。

(3)安装输出电抗器与电缆的电容结合可增加行波的上升时间。理论上可降低变频器输出du/dt和电压峰值，但若参数不恰当会延长尖峰持续时间，尤其是使用铁心电抗器时，因此应用中须相当谨慎。

(4)在电动机端子上安装一个电动机终端部件抑制电动机端子上的过电压。其目的是使电动机阻抗与电缆阻抗相匹配，因此可防止电动机电压反射。

(5)在变频器和连接电动机的电缆之间安装一个输出du/dt滤波器，会显著延长脉冲的上升时间。

(6)降低变频器的电压阶跃，如采用三电平结构。

在变频器和连接电动机的电缆之间安装一个输出du/dt滤波器是一个简单、经济的方法，而且也能取得一定的效果。采用多电平结构降低变频器的电压阶跃是一个非常有效的办法，尤其是三电平结构，可在费用增加不多的情况下，消除电压尖峰的威胁。

变频器输出PWM脉冲电压波形经电缆传输，在电动机端产生电压尖峰，使得电动机绝缘反复接受过电压考验。电动机由变频器供电时，其绝缘的耐压强度与脉冲电压频率、电压上升速度及热应力有关，其绝缘结构所耐受的介电应力应高于单纯交流正弦波电源供电时承受的介电应力，否则容易导致电机绝缘过早损坏。因此，即使已采取上述措施，电动机采用加强的绝缘结构仍很有必要。

3.4 现场测试

某电厂4#机组凝泵甲、乙电动机为二电平变频控制，变频器系统接线简图如图10所示。由于电压尖峰问题多次造成电动机损坏，该变频器输出端加装了du/dt滤波器。分析不同工况下变频器输出端电压，进行滤波前、后输出电压波形比较，可以较直观地说明滤波效果，测试期间相关工况如表1所示。

图10 镇海电厂凝泵变频器系统接线图

表1 电厂变频器输出电压测试工况记录

3.4.1 未装滤波器时输出端电压谐波测试数据

变频器输出侧电压波形及其幅频特性如图11～14所示。输出侧电压波形为PWM波形，开关频率约为2.5～3.5 kHz。输出电压波形中电压尖峰现象明显，从幅频分析结果来看:1.5 kHz以上的高频分量明显存在，且低负荷工况下高频分量明显较高。这一点很好理解，变频器元器件高速开通和关断产生大量高频分量，低负荷时元器件开关频度较高，无论是电压尖峰还是高频谐波问题都比较突出。

图11 工况一时输出电压波形图

图12 工况一时输出电压波形幅频特性

图13 工况二时输出电压波形图

图14 工况二时输出电压波形幅频特性

3.4.2 加装滤波器后输出端电压测试结果

工况一时，变频器输出电压滤波后波形如图15所示，比较图15和图11，显然电压峰值有明显的下降。

工况二时，变频器加装滤波器后输出电压与电动机端电压波形测试结果如图16所示，图中圈出部分放大如图17所示，从图中可见电动机端电压仍会出现电压尖峰现象，峰值达到780 V，超过变频器输出电压约40%。

图15 工况一时，输出电压滤波后波形图

图16 变频器输出端以及电动机端波形比较

图17 图16圈出部分放大

4 结语

正弦工频电压供电与PWM变频供电，电动机的电气环境差别相当大，变频器供电电压除工频分量外，还存在高次谐波电压，造成电动机损耗和温升增加;PWM逆变使得变频器输出电压上升速度非常高，且电压重复频度高，PWM变频供电电压重复次数是正弦工频供电(50次/s)的几十倍甚至上百倍。因此，变频供电电动机绕组匝间承受电压可达到工频情况下的几十倍，第一绕组承受电压短时达到上百倍。

为防止变频供电的电动机运行过程温升过高，需采取强迫冷却的措施，必要时电动机应降额使用。

变频器输出端加装滤波器可有效缓解电压尖峰问题，但仍有部分存在电压尖峰现象，电动机难免承受重复性的电压脉冲冲击，加速绝缘的老化，缩短电机的使用寿命;且脉冲频率越高，幅值越大，则电机绝缘寿命越短。因此，PWM变频器供电的电动机采用增强型绝缘系统的变频电机，有助于提高设备运行的安全稳定性。

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