为了在工业感应电机相关应用中实现高效率、良好的可管理性和节能性,有必要采用可控变频器系统。如今的变频器系统是由静态变频器供电的交流电机。
最新的变频器非常适合交流电机应用并且易于安装。然而,一个重要问题是由非正弦输出电压引起的。这个因素导致了很多不良问题。
感应电机损耗增加、噪音和振动、对感应绝缘系统的有害影响以及轴承故障都是变频器相关系统问题的例子。增加的感应损耗意味着降低感应输出功率以防止过热。实验室测量表明,与一般电源相比,变频器的温升可能高出40%。变频器的不断研究和改进已经解决了其中许多问题。不幸的是,解决一个问题似乎又加剧了另一个问题。减少感应和变频器损耗往往会增加对绝缘的有害影响。感应器制造商当然意识到了这一点。新的感应设计(逆变器电机)开始出现在市场上。更好的定子绕组绝缘和其他结构改进可确保感应电机更好地适应变频器应用。
简介
感应电机最严重的问题之一是难以适应速度调节。交流电机的同步速度由以下公式确定。
ns = 120 * f / p
n s = 同步速度
f = 电网频率
p = 极数
对于给定的极数,调整速度的唯一方法是改变频率。
基本原理
理论上,基本思想很简单,将稳定的电力线频率转换为可变频率的过程基本上分两步完成:
交流电源被整流为直流电压。
直流电压被斩波为所需频率的交流电压。
变频器基本上由三个模块组成:整流器、直流母线和逆变器。
变频器基本框图
不同类型的变频器
PWM 电压源逆变器 (VSI)
PWM(脉冲宽度调制)在变频器行业中应用广泛。它们的功率从几百瓦到兆瓦不等。
电压源逆变电路
PWM 转换器不必与负载完全匹配,只需确保负载消耗的电流不会高于 PWM 转换器的额定电流。使用 100 kW PWM 转换器运行 20 kW 感应电机是完全可能的。这是一个很大的好处,使应用程序的操作更加容易。
如今,PWM 变频器采用绝缘栅双极型转换器 (IGBT)。现代 PWM 变频器性能非常好,并不落后于使用正弦电源的设计 - 至少在高达 100 kW 左右的功率范围内。
电流源逆变器(CSI)
与 PWM 相比,电流源逆变器是一种粗糙且相当简单的设计。它在电源电路中使用简单的晶闸管或 SCR,这使得它便宜得多。它还具有非常可靠的优点。由于直流链路中存在大型电感器,该设计使其能够防短路。它比 PWM 体积大。
电流源逆变电路
此前,电流源逆变器是大负载的最佳选择。电流源逆变器的缺点是需要与负载匹配。变频器必须针对所使用的感应电机进行设计。事实上,感应本身就是逆变电路的一部分。
电流源逆变器为感应电机提供方形电流。在低速时,感应会产生齿槽扭矩。与 PWM 转换器相比,这种类型的变频器会在电源上产生更多噪声。过滤是必要的。
输出电压中的高电压瞬变是电流源逆变器的另一个缺点。在最坏的情况下,瞬态电压可能达到标称电压的近两倍。如果使用该变频器,还存在绕组绝缘过早磨损的风险。当负载与变频器不匹配时,这种影响最为严重。在部分负载运行时可能会发生这种情况。这种变频器越来越不受欢迎。
磁通矢量控制 (FVC)
磁通矢量控制是一种更复杂的变频器类型,用于具有极端控制需求的应用。例如,在造纸厂中,必须非常精确地控制速度和拉伸力。
FVC 变频器始终具有某种反馈回路。这种变频器通常在泵应用中不太受关注。它价格昂贵,而且其好处无法利用。
对电机的影响
当采用纯正弦电压源时,感应效果最佳。当连接到强大的公用电源时,通常会出现这种情况。
当感应器连接到变频器时,将为其提供非正弦电压,更像是斩波方波电压。如果我们为三相感应提供对称的三相方波电压,则由于对称性,所有三的倍数以及偶数的谐波都将被消除。但是,仍然剩下数字 5;7 和 11;13 和 17;19 和 23;25 等等。对于每对谐波,较低的数字是反向旋转,较高的数字是正向旋转。
感应电动机的速度由基本数或数 1 决定,因为它具有很强的主导性。现在谐波会发生什么情况?
从谐波的角度来看,感应似乎使转子被阻塞,这意味着谐波的转差率大约为1。这些没有提供有用的工作。其结果主要是转子损耗和额外的热量。特别是在我们的应用程序中,这是一个严重的结果。然而,利用现代技术,可以消除感应电流中的大部分谐波含量,从而减少额外损耗。
早期的变频器
最早的变频器通常使用简单的方波电压来为感应电机供电。它们会引起加热问题,并且感应运行时会产生由扭矩脉动引起的典型噪音。通过简单地消除第五个和第七个,可以获得更好的性能。这是通过电压信号的一些额外切换来完成的。
如今的变频器 如今
,技术更加复杂,大多数缺点都已成为历史。快速功率半导体和微处理器的发展使得定制开关模式成为可能,从而消除了大部分有害谐波。
中等功率范围(高达几十千瓦)的变频器可提供高达 20 kHz 的开关频率。这种类型的变频器的感应电流将接近正弦形状。
在高开关频率下,感应损耗保持在较低水平,但变频器中的损耗会增加。开关频率过高时总损耗会变得更高。
一些电机基本理论
感应电机中产生的扭矩可表示为
T = V * τ * B [牛米]
V = 有效转子体积 [m 3 ]
τ = 每米定子孔周长的电流
B = 气隙中的磁通密度
B = 与 (E / ω) = E / (2 * π * f) 成比例
ω = 定子电压的角频率
E = 感应定子电压
为了在各种速度下获得最佳性能,有必要为每种速度的感应保持适当的磁化水平。
各种扭矩特性的范围如下图所示。对于恒转矩负载,V/F比必须恒定。对于平方转矩负载,恒定的V/F比将导致低速时磁化过高。这将产生不必要的高铁损和电阻损失(I 2 R)。
各种扭矩特性
最好使用平方 V/F 比。因此,铁损和I 2 R损耗被降低至对于实际负载扭矩来说更可接受的水平。
如果我们看一下该图,我们会发现电压已达到最大值,并且无法增加到 50Hz 基频以上。基频以上的范围称为弱磁范围。其结果是,在不增加电流的情况下不再可能维持必要的扭矩。这将导致与正弦电网正常欠压相同的加热问题。可能会超出变频器的额定电流。
在弱磁范围内运行
有时,人们可能会想以高于商业电网频率的频率运行泵,以达到否则不可能达到的工作点。这样做需要额外的意识。泵的轴功率将随着速度的立方而增加。超过 10% 的速度将需要 33% 以上的输出功率。粗略地说,我们可以预计温升将增加75%左右。
弱磁范围内的最大扭矩降
尽管如此,我们从超速感应中挤出来的东西还是有限的。在弱磁范围内,感应的最大扭矩将作为 1/F 的函数下降。
很明显,如果变频器不能提供与扭矩所需电压相对应的电压,感应就会消失。
降额
在许多情况下,感应器以正弦电网的最大容量运行,并且不能容忍任何额外的热量。如果这种感应装置由某种变频器供电,则很可能必须以较低的输出功率运行以避免过热。
300 kW 以上大型泵的变频器会增加 25-30% 的额外感应损耗,这并不罕见。在较高功率范围内,只有少数变频器具有高开关频率:前一代变频器通常为 500 至 1000 Hz。
为了补偿额外的损耗,有必要降低输出功率。我们建议大型泵一般降额 10-15%。
由于变频器会产生谐波污染电网,因此电力公司有时会规定输入滤波器。该滤波器通常会将可用电压降低 5-10%。因此,感应将在标称电压的 90-95% 下运行。结果是额外的加热。可能需要降额。
示例
假设使用正弦电网时,实际泵电机的输出功率为 300 kW(50 Hz),温升为 80°C。额外损失 30% 将导致感应温度升高 30%。保守的假设是温升随轴功率的平方变化。
为了不超过 80°C,我们必须将轴功率降低到
减少的 P = √(1/1.3) * 300 = 263kW
可以通过减小叶轮直径或通过减速来实现减小。
变频器损耗
当确定变频器系统的总效率时,必须包括变频器的内部损耗。这些变频器损耗不是恒定的并且不容易确定。它们由恒定部分和负载相关部分组成。
恒定损耗:
冷却损耗(冷却风扇)——电子电路等中的损耗。
负载相关损耗:
功率半导体中的开关损耗和引线损耗。
下图显示了额定功率为 45、90 和 260 kW 的设备的变频器效率与立方负载频率的函数关系。这些曲线代表功率范围为 50–300 kW 的变频器;开关频率约为 3 kHz,并采用第二代 IGBT。
变频器效率曲线
对电机绝缘的影响
现代变频器的输出电压具有非常短的电压上升时间。
dU/dT = 5000V/μs 是常用值。
如此陡峭的电压斜率将在感应绕组的绝缘材料中造成过度的应力。由于上升时间短,定子绕组中的电压分布不均匀。对于正弦电源,感应绕组中的匝间电压通常是均匀分布的。另一方面,对于变频器,第一匝和第二匝的电压将下降高达 80%。由于电线之间的绝缘构成了薄弱点,因此这可能对感应是危险的。较短的上升时间也会导致感应电缆中的电压反射。在最坏的情况下,这种现象将使感应端子上的电压加倍。从 690 伏变频器馈送的感应电压可能会在相间承受高达 1 900 伏的电压。
电压幅值取决于感应电缆的长度和上升时间。由于上升时间非常短,10 至 20 米长的电缆中会发生全反射。
为了确保电机的功能和充足的使用寿命,绕组必须适合与变频器一起使用。500 伏以上电压的感应必须采用某种形式的强化绝缘。定子绕组必须用树脂浸渍,以确保绝缘体无气泡或空腔。辉光放电通常从空腔周围开始。这种现象最终会破坏绝缘层。
有多种方法可以保护电机。在强化绝缘系统之上,可能需要在变频器和感应装置之间插入一个滤波器。大多数知名变频器供应商都提供此类滤波器。
滤波器通常会减慢电压上升时间
dU/dT = 5000V/μs 至 500-600V/μs
轴承故障
旋转机械的故障通常与轴承故障有关。除了过热、润滑不足或金属疲劳之外,通过轴承的电流可能是许多神秘轴承故障的原因,尤其是在大感应情况下。这种现象一般是由于磁路不对称,在定子结构中感应出很小的电压,或者是零序电流引起的。如果定子结构和轴单元之间的电势变得足够高,就会通过轴承发生放电。滚动体和轴承滚道之间的小放电最终会损坏轴承。
使用变频器会增加发生此类轴承故障的可能性。现代变频器的开关技术会产生零序电流,在某些情况下,该电流会流过轴承。
解决这个问题最简单的方法就是为当前设置一个障碍。通常的方法是使用外圈有绝缘涂层的轴承。
结论
使用变频器并不意味着没有问题。设计工作中必须注意的很多问题。例如,是否有必要限制可用轴功率以防止过度加热?事实可能证明有必要以较低的输出功率运行以避免此问题。
感应电机绝缘能抵抗逆变器的影响吗?有必要过滤吗?现代高效逆变器由于开关频率高和电压上升时间短而对绝缘产生不利影响。
在不产生全电压反射的情况下,可以使用哪个最大电缆长度?电压幅度取决于电缆长度和上升时间。由于上升时间非常短,10 至 20 米长的电缆中将发生全反射。
是否有必要使用绝缘轴承以防止零序电流流向轴承?
只有弄清楚所有这些问题,我们才能对变频器的使用做出正确的决定。
文章评论