电机试验中变频器对电机性能的影响

周玮杰， 张宝强， 陈 琳

(1. 上海电科系统能效检测有限公司，上海 200063；2. 上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海 200063)

0 引 言

变频调速是一种效益高、性能好、应用广的交流传动技术，已被广泛应用于工业、农业及国防等领域,是国家提倡推广的节能技术之一。变频电机是专门为精确调速而设计的三相异步电机。通过改进普通三相异步电机，使之与变频器组成的动力系统在一些场合可替代直流电动机驱动系统。随着变频技术的发展，对变频系统的测试技术也提出更高要求，以往的测试技术都是针对普通三相异步电动机，虽然变频电机本质上是三相电机，但在测试方法上却有所不同。

变频调速系统中存在的变频器，为电动机带来了诸多不利因素，包括： 效率、功率因数下降，噪声、振动增大，电磁设计与绝缘设计的改变等。为更好地发挥变频调速系统的优势，须通过试验重点研究变频器对电动机的影响。

1 变频调速传动系统试验分析

从变频调速系统原理出发，分析谐波产生的原因，再以同一台变频调速电机为例，在试验项目、试验人员、试验仪器基本相同的条件下，对比正弦波电源供电与变频器供电的电动机试验数据，并分析试验结果差异。

1.1 系统原理

电机转速n与电源输入频率f成正比：n=120f(1-s)p(式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极数)。变频器将50Hz的工频电通过整流和逆变转换为频率可调的交流电源，通过改变电动机电源输入频率达到改变电机转速的目的。变频器原理如图1所示。

图1 变频器原理

1.2 变频器谐波产生原因及特点

变频器的整流电路、逆变电路，都由非线性元件组成，在元件开断过程中，其输入端和输出端都会产生高次谐波。变频器输入端的谐波还会通过输入电源线影响公用电网[2]。

对于变频器而言，只要电源侧有整流回路，都因非线性产生谐波。以三相桥整流电路为例，交流电网电压为正弦波，交流输入电流波形为方波，对于这个波形，按傅里叶级数可分解为基波和各次谐波，通常含有6m±1(m=l，2，…，n)次谐波，其中高次谐波干扰电网。单个基波与几个高次谐波叠加形成畸波，如图2所示。

图2 基波与谐波叠加后的畸波波形

在逆变输出回路中，输出电压和输出电流均有谐波。由于变频器是通过CPU产生6组脉宽可调的SPWM波控制三相的6组功率元件导通和关断，形成电压、频率可调的三相输出电压。其输出的电压和电流由SPWM波和三角载波的交点产生，不是标准的正弦波，含有谐波。非正弦波电压加于负载，形成非正弦电流，也含有谐波。

由于谐波的存在，变频调速传动系统与正弦波供电传动系统性能上存在差异。对于变频调速传动系统与正弦波供电传动系统的性能，文献[3]已给出了分析，如图3所示。

图3 异步电动机变频器供电与标准正弦供电仿真波形图

由图可知，变频器供电时异步电机的输入电压为一系列宽度不等的脉冲电压，若对该电压进行傅里叶分解，除含有基波外还含有大量谐波成分，这些谐波的存在使得异步电机的转矩和相电流出现较明显的脉动，但这些谐波对电机性能的影响具体为多大，各类文献中缺少试验数据证明。现将同一台被试电机用于变频调速传动系统与正弦波供电传动系统进行性能对比测试。

1.3 试验系统构成

图4所示为变频调速传动系统，图5为正弦波供电传动系统，其中被试电机是型号为YYSP-200L2-2，37kW压缩机专用变频调速电动机，变频器型号为GREAT VC10-250G3，转矩转速传感器为HBM 200N·m，联轴器采用外径φ160mm的联轴器，陪试电机是功率为45kW的2极三相异步电动机。变频试验时，试验系统馈电模式采用双变频器直流母排馈电模式。

图4 变频调速传动系统

图5 正弦波供电传动系统

1.4 两个传动系统试验数据对比与分析

为使试验结果具有可比性，正弦波供电传动系统与变频调速传动系统输出频率皆为50Hz。

传动系统试验对比数据如表1所示。由表1中数据可知，正弦波供电传动系统的定子铜耗、铁耗、机械耗都小于变频调速传动系统。由于电机发热主要来源于电机损耗，故正弦波供电传动系统的电机温升也小于变频调速传动系统，正弦波供电传动系统效率较高。在振动、噪声方面，正弦波供电传动系统在除最大振动位移外均优于变频调速传动系统。在考虑试验误差的情况下，可认为即使输出为工频，变频调速传动系统也会使电机各项性能有所下降。

表1 传动系统试验对比数据

2 试验结果的原因与改进意见

2.1 损耗增加的主要原因

由于变频器在运行期间产生谐波，导致电机损耗增加，广泛使用的正弦波PWM变频器基本不含低次谐波，但含有分量为2u+1的高次谐波(u为调制比)。以电动机铁耗为例，变频电机在非正弦供电时的总铁耗为

Pfe=Pfe1+∑Pfek，式中，Pfe1为正弦电源供电时电机的铁耗；

式中：Gts、Gjs——电机定子齿部、轭部铁心质量；

Bts、Bjs——电机定子齿部、轭部磁通密度幅值；

K1、K2——电机定子齿部、轭部铁耗校正系数；

Btsk、Bjsk——k次谐波定齿部、轭部磁密；

fk——k次谐波频率。

可看出，由于谐波的存在变频调速传动系统中的电机产生了另一部分铁耗∑Pfek。此外，高次谐波的存在导致电动机定子铜耗、铁耗、机械耗增加，故温升有所提高。

2.2 噪声振动增加的主要原因

电动机噪声可分为电磁噪声、机械噪声、空气动力噪声。本文采用同一台电机进行对比试验，机械噪声、空气动力噪声基本一致，故变频器对电动机的噪声与振动的影响在于电磁噪声，而电磁噪声主要由气隙磁场产生的电磁力波引起电机铁心轭部振动，并通过外壳将振动传播出去而形成。两次试验气隙中的电磁力波不同，主要是变频电机受谐波电压与谐波电流影响较多，原因是变频器产生的时间谐波与电动机固有的空间谐波相互干扰，产生电磁力形成振动。当变频器导致的电磁力频率与电动机的固有频率一致或接近时，将产生共振，从而加大了噪声。由于电动机应用广，调速范围大，导致变频器频率的调节范围较宽，所以各种电磁力波的频率很难避开电动机的固有振动频率。

2.3 改进意见

变频调速传动系统性能降低的主要原因是谐波的影响，故须改进试验系统以消除谐波。改进后的变频调速测试系统如图6所示。系统中加装无源LC滤波器，减小高次谐波，降低谐波的影响，且成本较低、可靠性高、效果好。若变频器输入侧加装有源PFC装置，效果更好，但成本较高。滤波器虽然可将部分谐波滤除，但不能将全部谐波滤除，其主要使电机电磁激振力波的频率远离定子固有频率及变频器开关频率。尽量控制变频电机在较宽的调频范围内，始终保持理想噪声。此外，该系统能将被试电机上吸收的能量通过电源部分直接返回供电电网，这不仅可节约能源和测试费用，也提高了系统的动态响应和可靠性。

此外，谐波还会影响电机试验中各测量装置的准确性，故应对测量装置进行必要改进。变频器输出电压测量应选用整流式电压表，其测量结果最接近谐波分析仪测量的基波电压值，且与变频器的输出频率有极好的线性关系；变频器输出

图6 改进后的变频调速测试系统

电流的测量通常选用动圈式电流表，考虑到该种仪表在低频状态下所配的电流互感器可能出现饱和，故建议变频器输出侧的电流测量尽量选用变频器自身的模拟量测量。

3 结 语

本文主要针对变频调速传动系统中变频器对系统各项性能指标的影响进行了分析。采用试验测量与理论分析相结合的方法，利用基于相同试验条件的电动机在正弦波供电与变频器供电得到的试验数据，研究损耗增加、温升提高、噪声、振动增大等试验结果差异的产生原因，并给出添加滤波器，规避噪声、振动频率，改进试验装置等建议，帮助完善变频调速传动系统的设计、测量及生产应用。

【参考文献】

[1] 曾岳南.变频器对电机性能的影响及其对策[J].电气传动自动化，2000(5)： 7-10.

[2] 郭凤哲，李传纪，魏庆伟.变频器谐波危害及解决[J].冶金动力，2008(4)： 11-14.

[3] 刘万太，彭晓，谢卫才，等.变频调速异步电机的谐波分析[J].湖南工程学院学报，2011(3)： 4-7.

[4] 朱益飞.变频器对普通电机设备的影响分析[J].变频器世界，2011(5)： 73-75.

[5] 张玉林，唐荣彬.变频电动机效率的测试方法[J].防爆电机，2006(5)： 39-40.

[6] GB 755—2008 旋转电机定额和性能[S].

[7] GB/T 1032—2008 三相异步电动机试验方法[S].

[8] GB/T 22670—2008 变频器供电三相笼型感应电动机试验方法[S].

[9] GB/T 10069.1—2006 旋转电机噪声测定方法及限值 第一部分： 旋转电机噪声测定方法[S].

[10] GB 10068—2008 轴中心高为56mm及以上电机的机械振动 振动的测量、评定及限值[S].