變頻調(diào)速產(chǎn)生諧波對(duì)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的影響分析

我國(guó)《節(jié)約能源法》第39條規(guī)定：“將變頻調(diào)速列入通用節(jié)能技術(shù)加以推廣”。在工礦企業(yè)眾多的電力拖動(dòng)系統(tǒng)是采用異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的，在電力拖動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)改造中，除了優(yōu)化托動(dòng)系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)外，還要大力推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，從而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能運(yùn)行。

在變頻調(diào)速的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，變頻器屬非線性設(shè)備，其運(yùn)行中必然會(huì)產(chǎn)生高次諧波。當(dāng)變頻器向拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)供電時(shí)，必然會(huì)將含有頗豐的高次諧波電流輸入電動(dòng)機(jī)，從而對(duì)電動(dòng)機(jī)造成不利的影響。為此，在對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施變頻調(diào)速技術(shù)改造中，還應(yīng)采取相對(duì)應(yīng)措施，消除諧波帶給電動(dòng)機(jī)的不利影響。

1變頻調(diào)速的優(yōu)越性

1.1變頻器的調(diào)速特性好

實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，是發(fā)明異步電動(dòng)機(jī)百年以來人們翹首以待的“世界之夢(mèng)”。通過科技人員的不懈努力。提高和完善，其調(diào)速工作特性毫不遜色，即與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，某些方面還超過直流調(diào)速。由于頻率本身是數(shù)字量，即可實(shí)現(xiàn)在不需外部反饋的情況下，就能獲得很硬的機(jī)械特性。同時(shí)還具有調(diào)速精度高、平滑、性能穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制等特點(diǎn)。

1.2變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)故障率低

異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，可在不更換原電動(dòng)機(jī)條件下，實(shí)施變頻調(diào)速技術(shù)改造，即在電動(dòng)機(jī)與電源之間接入相對(duì)應(yīng)型號(hào)變頻器，就能獲得最佳調(diào)速效果。其拖動(dòng)系統(tǒng)的故障率低，是得益于異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子回路內(nèi)的電力不需從外部接入，故而出現(xiàn)故障幾率極少。

1.3變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)

異步電動(dòng)機(jī)若采用全壓直接起動(dòng)，其起動(dòng)電流可達(dá)額定電流的5-7倍，必將對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)或電網(wǎng)造成不良的影響。而采用變頻調(diào)速起動(dòng)，其起動(dòng)電流一般不會(huì)超過額定電流的1.5倍。同時(shí)起動(dòng)平穩(wěn)，無沖擊，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)真正意義上的軟起動(dòng)。

1.4變頻調(diào)速會(huì)延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命

變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載中使用，不僅能按負(fù)載運(yùn)行要求實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，而且起動(dòng)過程中振動(dòng)和機(jī)械噪音很小。變頻調(diào)速用于一般生產(chǎn)機(jī)械的電力拖動(dòng)中，在起動(dòng)、停止、減速、加速等工況下，均不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊，故而可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

1.5變頻調(diào)速在加減速時(shí)轉(zhuǎn)矩平滑

變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于輸送機(jī)的節(jié)能改造中，在運(yùn)行過程中若負(fù)載需加速、減速時(shí)，具有性能良好的軟起動(dòng)效果，并達(dá)到轉(zhuǎn)矩平滑。尤是重載工況下起動(dòng)時(shí)，可提升輸出轉(zhuǎn)矩，這是普通起動(dòng)器所無法達(dá)到的效果。

2變頻器產(chǎn)生諧波對(duì)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)影響

異步電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在工礦企業(yè)的電力拖動(dòng)中得到廣泛使用。對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)實(shí)施變頻調(diào)速技術(shù)改造，可在不更換原電動(dòng)機(jī)條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。但因變頻器是非線性設(shè)備，運(yùn)行中將會(huì)產(chǎn)生高次諧波，必將會(huì)對(duì)其拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)造成不良影響，故而必須采取相應(yīng)措施加以防范。

按常規(guī)設(shè)計(jì)的異步電動(dòng)機(jī)，通常都是設(shè)計(jì)在額定頻率和額定電壓下工作的，只有在額定頻率和電壓下運(yùn)行，才能保證電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩，功率達(dá)到額定設(shè)計(jì)值。然而在變頻調(diào)速工況下運(yùn)行的異步電動(dòng)機(jī)，因供電頻率是個(gè)變量，故對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出軸功率會(huì)有所影響。所以對(duì)不同工況下拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)容量的選擇，必須充分考慮這個(gè)影響因素。

通常使用的異步電動(dòng)機(jī)，在額定功率和溫升條件下運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行溫度是不會(huì)超過設(shè)計(jì)值的。但在變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)中，由于輸入電動(dòng)機(jī)的電流含有頗豐的高次諧波，故而由諧波電流使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生附加損耗。即使在額定頻率下長(zhǎng)期運(yùn)行，由于諧波電流的影響也會(huì)造成輸出轉(zhuǎn)矩降低、效率下降、溫升增高等異常等情況。異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，若是溫升增高會(huì)導(dǎo)致線圈絕緣的揮發(fā)和降解加速，介電強(qiáng)度和體積電阻率下降，還可能造成線圈絕緣的炭化而喪失絕緣功能。

變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)中的異步電動(dòng)機(jī)，因受高次諧波的影響，諧波電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)軸是高速旋轉(zhuǎn)的，它所產(chǎn)生的軸電勢(shì)比較高，可能會(huì)擊穿軸承的油膜，使軸電流流過軸承而對(duì)軸承造成危害。

異步電動(dòng)機(jī)的線圈間存在著分布電容，高次諧波電壓輸入時(shí)，各線圈之間的電壓分擔(dān)是不均勻的，往往會(huì)導(dǎo)致承擔(dān)高電壓線圈的絕緣老化加速，從而使首匝線圈成為絕緣損傷點(diǎn)。在變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)中，變頻器輸出電壓的幅值為標(biāo)準(zhǔn)電壓的3倍多，再加上變頻器電壓變化率(du/dt)很高，它所引起的振蕩會(huì)使電動(dòng)機(jī)應(yīng)力變得更大，勢(shì)必對(duì)線圈造成危害。

在開關(guān)頻率很高的工況下，變頻器和電動(dòng)機(jī)之間連接電纜，若是長(zhǎng)度過長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生駐波，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)端電壓升高，致使電動(dòng)機(jī)線圈承受端電壓比電網(wǎng)電壓高，這必然會(huì)加速線圈絕緣的老化，影響電動(dòng)機(jī)使用壽命。

3變頻器產(chǎn)生諧波的防范措施

3.1運(yùn)用濾波技術(shù)消除諧波影響

為提高變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，必須運(yùn)用諧波技術(shù)消除諧波影響。諧波器接在電動(dòng)機(jī)輸入端的，稱為電動(dòng)機(jī)端濾波;接在變頻器輸出端的，稱為變頻器輸出濾波。電動(dòng)機(jī)端濾波分為一階RC串聯(lián)型和一階RC并聯(lián)型兩種濾波方式。變頻器輸出端濾波有四種結(jié)構(gòu)：3.1.1LR并聯(lián)型;3.1.2二階RLC低通變頻器輸出端濾波;3.1.3改進(jìn)型二階RLC低通濾波，即把星型聯(lián)接的阻容電路中性點(diǎn)與變頻器直流母線中性點(diǎn)接在一起。該濾波器尺寸小、損耗少、成本較低、值得推廣;3.1.4LC與RLC兩級(jí)串聯(lián)變頻器輸出濾波器。

3.2盡量縮短連接電纜長(zhǎng)度

縮短變頻器與電動(dòng)機(jī)之間聯(lián)接電纜的長(zhǎng)度，為的是避免駐波產(chǎn)生而造成的影響。切勿將連接電纜過長(zhǎng)部分盤成圈狀放在變頻器框內(nèi)，這種處理方法欠佳，仍會(huì)造成諧波干擾。

其次，可在變頻器進(jìn)線電纜端套上約1.5~2m的金屬蛇皮管，管皮外殼良好接地，這也是抑制諧波干擾的措施。此外，還可將變頻器控制線屏蔽，并做好屏蔽層的良好接地，這也能防止諧波干擾。

3.3變頻器和電動(dòng)機(jī)的選用

在實(shí)施變頻調(diào)速技術(shù)改造時(shí)，為提高電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，應(yīng)選用不易輸出高反射電壓的變頻器。若有更換拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)，應(yīng)選用專用變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。

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