二電平變頻器輸出對電動機的影響及應對措施
潘星，盧嘉華
(浙江省電力試驗研究院，浙江杭州310014)
摘要：介紹了二電平變頻器供電對電動機產生的不良影響，采崩仿真數據說明變頻供電出現電機端尖峰電壓的特點，就改善變頻供電電動機溫升偏高及機端電壓尖峰問題提出應對措施，并現場實測改善效果。
關鍵詞：變頻器；諧波；電機
中國分類號：TM 92l 51文獻標志碼：A文章編號：1673~540(20t0)054)0374)5
0 引言
變頻器主要應用于=交流電機轉速的調節，足理想的調速方案。變頻調速以其自身所具有的調速范圍廣、調速精度高、動態響應好、節能效果顯著等優點，在許多需要精確速度控制的應用中發揮著提高產品質量和生產效率的作用[1]。
變頻器輸出的電壓電流波形是由開關元件通過一系列的控制調制而成，與****的正弦交流波形存在較大差異，變頻器輸出電壓的非線性、脈沖性、重復性等特征嚴承惡化了電動機的電氣運行環境，容易造成電機溫升噪聲增加、絕緣老化加劇等不良后果，縮短電機使用壽命，甚至破壞電機絕緣，造成電機損壞。
l 電壓源型高壓變頻器拓撲結構
文獻[2-3]中關于各類變頻器的拓撲結構有較全面的描述。圖1為電壓源型變頻器的基本結構，采用二電平逆變方式，電路控制簡單、技術成熟、體積小、成本低，可廣泛應用于軋機、起重機、電力機車牽引、船舶主傳動、風機、水泵等。但二電平逆變存在對單管的耐壓要求高，日輸出電壓的du／dt大、所含低次諧波分量相對較高等問題。
圖2是三相二極管鉗位三電平逆變器主電路，三電平結構變頻器的轉矩紋波和電機噪聲較低，對電機絕緣無損害，典型應用于風機水泵、傳送帶驅動、礦石粉碎機、軋機、擠壓機、窯傳動等。但其開關元件一般采用GTO或IGCT器件，需要復雜的緩沖電路和門極觸發電路，輸出電壓波形畸變嚴重。
圖3為多電平串聯的H橋逆變器結構，采用低壓絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，輸出波形****無
諧波，轉矩紋波和電機噪聲較低，對電機絕緣無損害，典型應用于風機和水泵調速=但其器件多，使得可靠性差，節點多增加連接難題，大量變壓器使電氣窒的空間和散熱成為問題。
二電平結構的不利因素使其在高電壓等級中的應用受到一定限制，人們通過拓撲結構的多重化來實現高壓逆變器的應用，但由于多重化結構器件較多，帶來了制造成本高、可靠性差、主要一次設備的連接及散熱困難等問題。因此，現階段在常規IGBT****反向耐壓允許范圍內(1 000～1200 V)，二電平逆變變頻器仍是****。
2諧波和溫升問題及其應對措施
變頻器供電電壓波形均為非正弦波，存在一系列高次諧波電壓，高次諧波電壓會使電機產生附加銅損、鐵損、附加機械損耗等，諧波產生的集膚效應使轉子電阻增加導致轉差銅耗顯著增加，這些附加損耗導致電機有額外溫升，電機往往要降額使用。
逆變回路采用多電平技術，一定程度上可改善變頻器輸出諧波，如將兩組二電平逆變同路自流側并聯，導通角為θ，移相角為 φ，設逆變輸出分別為U1和U2，分別如式(1)、(2)所示：
根據式(1)～(3)，選擇合適的導通角θ和移相角φ，可使得輸出電壓u選擇性的消除一部分諧波。安裝濾波器也是抑制諧波的常用辦法之一，但在變頻器輸出側采用濾波器僅適盧電壓、頻率都恒定的控制方式，對于輸出電壓和頻率變化的情況，很少采用濾波器。
變頻器采用正弦脈寬調制(s阿M)逆變對于減少低次諧波輸入有較好效果[4-5]，理論計算汪明，當調制波頻率為f1，載波頻率為fc(fc>ft)時，輸出電壓半周的脈沖數為p=fc／(2f)，sPwM波形中(2p一1)次以下諧波均能被消除或抑制，提高開關器件的開關頻率可有效降低諧波電壓總畸變率。
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