馴服調(diào)速電機(jī)-理解諧波和電機(jī)問題可提高系統(tǒng)可靠性

1、馴服調(diào)速電機(jī)理解諧波和電機(jī)問題可提高系統(tǒng)可靠性應(yīng)用說明如果我們想馴服可變速驅(qū)動器電路,就需要將它分為兩個(gè)部分:輸入和輸出。對測試設(shè)備的要求會根據(jù)我們對哪一端進(jìn)行測量而所有不同。在輸入端,我們需要使用像 Fluke 43B 電力質(zhì)量分析儀這樣的諧波分析儀來測量真有效值電流以及諧波電流和功率因數(shù)。在輸出端,我們需要使用相同的諧波分析儀來檢查電機(jī)電流,并使用像 ScopeMeter® 199C 這樣的快速示波表來檢查電機(jī)電壓。兩種儀表都具有很高的抗電磁干擾能力,在驅(qū)動器輸出電纜上的快速脈沖附近進(jìn)行測量時(shí),需要具有這種抗干擾能力。降低驅(qū)動器輸入處的諧波如果驅(qū)動器與一個(gè)三相電源系統(tǒng)相連,則任一

2、相上的電流波形將會具有與圖 1 相類似的雙頂點(diǎn)波形。這種波形通常五次和七次諧波,如所伴隨的頻譜所示?？梢允褂弥C波濾波器來降低這些諧波。脈寬調(diào)制 (PWM 電機(jī)驅(qū)動器已成為交流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動器的首選,特別是對于低馬力至中馬力的應(yīng)用。該技術(shù)與其它配置相比具有明顯優(yōu)點(diǎn),原因是它的成本通常不高且效率更高,可為輸入電力線帶來較少的諧波問題。在故障排查方面,需要具有一定技巧。為了更好地了解使用 PWM 驅(qū)動器時(shí)通常所遇到的問題,首先讓我們來看一下可變速驅(qū)動器的基本構(gòu)成部分。它的電路簡單明了:輸入電路包含一個(gè)全波二極管橋路,它可對電源電壓進(jìn)行整流,并將電容器組充電至與輸入電壓的半波峰值相等的一個(gè)直流電壓。驅(qū)動

3、器的輸出級包含一些快速開關(guān)功率晶體管,它們可將直流電壓斬波為一系列施加到電機(jī)導(dǎo)線的窄電壓脈沖。脈沖的高度與電容器組上的直流數(shù)值相同,但脈沖的寬度經(jīng)過調(diào)制(或改變,使得電機(jī)電流接近于一個(gè)正弦波。驅(qū)動器電路可以非常高效,因?yàn)檩斎攵O管和輸出晶體管都不會生成很多熱量。一般來說,調(diào)速電機(jī)驅(qū)動器方面的問題可分為兩類:1.由驅(qū)動器的輸入電路產(chǎn)生的電力線諧波。2.由輸出電路引起的電機(jī)問題。圖1三相 PWM 驅(qū)動器的輸入電流波形和相關(guān)頻譜相整流器電流波形波頻譜圖 2 三相 PWM 驅(qū)動器的陷波濾波器當(dāng)使用一個(gè)單一大型驅(qū)動器時(shí),可以在驅(qū)動器輸入端安裝一個(gè)陷波濾波器。市售陷波濾波器的典型配置如圖 2 所示。電容的

4、值由驅(qū)動器的功率額定值決定,所選擇的電感要使電路在略微低于五次諧波的頻率上發(fā)生諧振。這些值會大大降低到達(dá)用電位置的五次和七次諧波的量。另外,電容器將會在 60 Hz 電源頻率處提供一些功率因數(shù)校正。如果您想詢問某種濾波器的報(bào)價(jià),濾波器設(shè)計(jì)人員可能會要求您提供系統(tǒng)的一張單線連接圖、驅(qū)動器的功率額定值、測量得到的諧波頻譜以及驅(qū)動器滿負(fù)載電流的功率因數(shù)。而后兩項(xiàng)可非常方便地通過手持式諧波分析儀及進(jìn)行測量。排查電機(jī)問題繞組絕緣故障是電機(jī)問題的最主要原因。絕緣損壞就意味著進(jìn)行更換或重新纏繞,如果您手頭沒有足夠的備用品,就會轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)物流供應(yīng)問題。繞組絕緣故障可能源于過熱、電壓過高或兩者都有。不幸的是,一

5、個(gè)使用不當(dāng)?shù)目勺兯衮?qū)動器可能會同時(shí)出現(xiàn)這兩種情況。當(dāng)驅(qū)動器與電機(jī)之間的距離超過驅(qū)動器廠商的最大電纜長度規(guī)格時(shí),就可能會產(chǎn)生過電壓。在這方面,理論上并不涉及國家電氣規(guī)范。相反,它要受到射頻傳輸線路方面的法律制約。要記住在驅(qū)動器輸出端子處所發(fā)生的事情。非?？焖俚纳仙}沖正在被送到具有分布的電感和電容的一組導(dǎo)體中。這就是說,電纜就像是一個(gè)傳輸線路。每個(gè)脈沖都以接近光速的速度沿電纜行進(jìn)。當(dāng)上升沿碰到電機(jī)電感時(shí),它就會被反射回電源,并在這里加到脈沖的基本值上。所得到的組合會給每個(gè)脈沖的上升沿加上一個(gè)尖峰脈沖。這些脈沖可能高達(dá)基本脈沖值的兩倍。電纜越長,這一問題就越糟糕。為了能看到這種效應(yīng),您需要使用帶寬

6、至少為 10 MHz 并且能夠在PWM 波形上觸發(fā)的示波表或便攜式ScopeMeter 測試工具。(參見圖 3。如果您計(jì)劃在離電機(jī)的距離超過驅(qū)動器廠商最大電纜長度規(guī)格的位置安裝一個(gè)可變速驅(qū)動器,則一定要征得有關(guān)輸出濾波器或降低過電壓尖峰問題的其它方法的建議。圖 3 驅(qū)動器和電機(jī)之間具有很長電纜的PWM 驅(qū)動器輸出上的電壓波形。第二個(gè)絕緣故障類別是過熱。溫度升高是由銅損過高、冷卻不足或二者的組合引起的。電機(jī)過熱問題常?？蓺w結(jié)為電機(jī)轉(zhuǎn)矩能力和負(fù)載要求之間的不匹配。請記住,轉(zhuǎn)矩由電流產(chǎn)生,而銅損與電流的平方成正比。如果負(fù)載是一條要求在低rpm 下具有高轉(zhuǎn)矩而幾乎沒有什么冷卻的傳送帶,在電機(jī)規(guī)格不適當(dāng)

7、時(shí)就可能產(chǎn)生過熱。另一方面,如果負(fù)載是遵守流體力學(xué)定律的泵或風(fēng)機(jī),則轉(zhuǎn)矩要求將隨轉(zhuǎn)速的增加而下降。當(dāng)驅(qū)動器與特定電機(jī)和負(fù)載組合相匹配時(shí),一個(gè)重要的測量參數(shù)就是驅(qū)動器輸出的電壓頻率乘積。電機(jī)理論說,隨著 rpm 的降低,降低也必須降低。測量電壓頻率乘積可能需要很高技巧,除非您使用具有電磁干擾屏蔽能力、足以在可變速輸出端子上快速上升的時(shí)間脈沖附近進(jìn)行測量的測試工具。問題會因以下事實(shí)而變得更加復(fù)雜:一個(gè)真有效值數(shù)字式萬用表 (DMM 在電壓輸出上測量得到的讀數(shù)將會偏高,因?yàn)?DMM 將對電機(jī)感覺不到的高頻成分產(chǎn)生響應(yīng)。如果您需要測量可變速驅(qū)動器的電壓頻率乘積,那么下面是可幫助您獲得良好讀數(shù)的一些建議

8、:z通過測量電機(jī)電流的頻率而獲得頻率值。電流波形實(shí)際上接近于正弦波,因此,對它進(jìn)行測量比對 PWM電壓信號進(jìn)行測量要容易得多。z使用一個(gè)具有頻率測量功能的具有良好屏蔽的一體式鉗形表,如Fluke 337。也可以使用一個(gè)可在電流測量功能中顯示頻率的數(shù)字式萬用表(如 Fluke189,并使用一個(gè)可連接到儀表的電流輸入端的交流電流互感器型夾鉗附件。最好使用電流互感器型附件(僅限交流,因?yàn)樗?mA 信號會進(jìn)入一個(gè)低阻抗輸入,與用于 mV 信號的高阻抗輸入相比,該輸入不易受噪聲影響。z使用一個(gè)可讀取輸出電壓的基頻成分(僅限此成分rms 值的諧波分析儀來測量電機(jī)電壓。此值會低于真有效值電壓,但它將在非常接近于電機(jī)實(shí)際感覺到的電壓處產(chǎn)生響應(yīng)。最后,有一點(diǎn)是肯定的:可變速驅(qū)動器應(yīng)該在這個(gè)位置。小心地按照這些原理和方法進(jìn)行,可幫助您利用其優(yōu)點(diǎn),并確保它們有利于(而不是不利于您的應(yīng)用。安全地工作電力系統(tǒng)中存在的高電壓和高電流可能會通過電擊或燒傷而引起嚴(yán)重人身傷害。因此,只有擁有一般電氣系統(tǒng)以及被測試設(shè)備方面的知識并經(jīng)過培訓(xùn)的有經(jīng)驗(yàn)的電工人員,才可以對電氣系統(tǒng)執(zhí)行測試和改動。福祿克公司無法預(yù)先周全想到您在執(zhí)行這里所介紹的測量時(shí)所必須采取的所有可能預(yù)防措施。但是,您至少應(yīng)該:z使用適宜的人身安全防護(hù)用品,如安全眼鏡、絕緣手套、絕緣墊等。z確保已關(guān)閉所有電源并上鎖,并在所有與電路部件直接接觸