變頻器對電機設備的影響

   時間:2014-03-11 14:58:11
變頻器對電機設備的影響簡介
     1 引言 目前勝利油田孤東採油廠在用各種變頻器達到939台,其中機械採油系統有486台,油氣集輸系統有60台,三次採油系統有393台,變……
變頻器對電機設備的影響正文
  

1 引言

目前勝利油田孤東採油廠在用各種變頻器達到939台,其中機械採油系統有486台,油氣集輸系統有60台,三次採油系統有393台,變頻器主要品牌有美國的abb、羅賓康,日本的富士、安川、三肯、東芝和日立,德國的西門子、施耐德。國產變頻在控制技術和功能上,已取得了顯著的進步和成就,而且在價格上更具有優勢。所以,近幾年來勝利油田孤東採油廠國產變頻器的應用數量得到逐年提高,主要品牌有森蘭、微能、康沃、惠豐、日業等品牌。目前變頻調速節能技術在油田低液量、低沖次油井上應用,已取得良好的節能效果:一是能夠實現電機無級變速,大大減少職工調參工作量,減少停井時間,提高生產時率;二是用變頻控制櫃加普通電機替代高耗能的調速電機,大大節約能耗;三是將變頻調速控制技術直接用於小排量、供應不足的螺桿泵井上,節能效果也非常顯著;四是中壓變頻器用於電潛泵井上,可以有效控制油井提液,且可降低油井提液單耗。變頻調速節能控制櫃已成為油田開發生產中最有效的重要的電氣節能設備,並越來越得到大面積推廣應用。

但由於油田變頻器所帶負載目前均採用普通三相普通非同步電動機,電動機極數有4極、6極、8極、10極和16極,其中極大多數為6極和8極電機,而普通非同步電動機都是按恆頻恆壓設計的,不可能完全適應變頻調速的要求,長期連續運行容易造成普通非同步電動機故障、電網電能質量下降以及在低頻狀態下普通非同步電動機不工作等諸多問題。因此,開展變頻器對普通電機設備的影響因素分析,改善變頻器的應用條件和運行質量,更好地發揮變頻調速節能控制的作用,具有十分重要的意義。

 

2 變頻器的種類及工作原理

2.1變頻器的種類

變頻器的分類方法有多種,按照主電路工作方式分類,可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器;按照開關方式分類,可以分為pam控制變頻器、pwm控制變頻器和高載頻pwm控制變頻器;按照工作原理分類,可以分為v/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等;按照用途分類,可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。

vvvf:改變頻率、改變電壓,cvcf:恆電壓、恆頻率。各國使用的交流供電電源,無論是用於家庭還是用於工廠,其電壓和頻率均為400v/50hz或200v/60hz(50hz)。通常,把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作「變頻器」。為了產生可變的電壓和頻率,該設備首先要把電源的交流電變換為直流電(dc)。用於電機控制的變頻器,既可以改變電壓,又可以改變頻率。

2.2變頻器的工作原理

我們知道,交流電動機的同步轉速表達式為:

 (1)

式中:

n:非同步電動機的轉速; 

f:非同步電動機的頻率;

s:電動機轉差率;

p:電動機極對數。

由式(1)可知,轉速n與頻率f成正比,只要改變頻率f即可改變電動機的轉速,當頻率f在0~50hz的範圍內變化時,電動機轉速調節範圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的,是一種理想的高效率、高性能的調速手段。

3 變頻器對普通電機的影響因素分析

(1)變頻器對電動機效率和溫升的影響

不論那種形式的變頻器,在運行中均產生不同程度的諧波電壓和電流,使電動機在非正弦電壓、電流下運行。據相關資料介紹,以目前普遍使用的正弦波pwm型變頻器為例,其低次諧波基本為零,剩下的比載波頻率大一倍左右的高次諧波分量為:2u+1(u為調製比)。高次諧波會引起電動機定子銅耗、轉子銅(鋁)耗、鐵耗及附加損耗的增加,最為顯著的是轉子銅(鋁)耗。因為三相非同步電動機是以接近於基波頻率所對應的同步轉速旋轉的,因此,高次諧波電壓以較大的轉差切割轉子導條后,便會產生很大的轉子損耗。除此之外,還需考慮因集膚效應所產生的附加銅耗。這些損耗都會使電動機額外發熱,效率降低,輸出功率減小,如將普通三相非同步電動機運行於變頻器輸出的非正弦電源條件下,其溫升一般要增加10%~20%。 

(2)變頻器對電動機絕緣強度的影響

目前中小型變頻器,不少是採用pwm的控制方式。它的載波頻率約為幾千到十幾千赫,這就使得電動機定子繞組要承受很高的電壓上升率,相當於對電動機施加陡度很大的衝擊電壓,使電動機的匝間絕緣承受較為嚴酷的考驗。另外,由pwm變頻器產生的矩形斬波衝擊電壓疊加在電動機運行電壓上,會對電動機對地絕緣構成威脅,對地絕緣在高壓的反覆衝擊下會加速老化。 

(3)諧波電磁雜訊與震動的影響

普通三相非同步電動機採用變頻器供電時,會使由電磁、機械、通風等因素所引起的震動和雜訊變的更加複雜。變頻電源中含有的各次時間諧波與電動機電磁部分的固有空間諧波相互干涉,形成各種電磁激振力。當電磁力波的頻率和電動機機體的固有振動頻率一致或接近時,將產生共振現象,從而加大雜訊。由於電動機工作頻率範圍寬,轉速變化範圍大,各種電磁力波的頻率很難避開電動機的各構件的固有震動頻率。 

(4)電動機對頻繁啟動、制動的適應能力影響 

由於採用變頻器供電后,電動機可以在很低的頻率和電壓下以無衝擊電流的方式啟動,並可利用變頻器所供的各種制動方式進行快速制動,為實現頻繁啟動和制動創造了條件,因而電動機的機械系統和電磁系統處於循環交變力的作用下,給機械結構和絕緣結構帶來疲勞和加速老化問題。 

(5)變頻器對電動機低轉速時的冷卻和運行問題的影響

首先,非同步電動機的阻抗不盡理想,當電源頻率較底時,電源中高次諧波所引起的損耗較大。其次,普通非同步電動機再轉速降低時,冷卻風量與轉速的三次方成比例減小,致使電動機的低速冷卻狀況變壞,溫升急劇增加,難以實現恆轉矩輸出。所以,通常情況下2極的普通電機可在20~65hz範圍長期運行,4極的可在25~75hz範圍長期運行,6極的可在30~85hz範圍長期運行,8極的可在35~100hz範圍長期運行。如油田注聚站用於注聚泵排量控制的變頻器經常會遇到當頻率下調到25hz以下時,電機就不工作的問題。

(6)變頻器對電網運行質量的影響

在高頻衝擊負載如電焊機、注水泵、注聚泵、輸油泵、污水外輸泵等較大功率啟動頻繁的場合,電壓經常出現閃變;在油田一個泵站中,有幾十台變頻器等容性整流負載在工作時,電網的諧波非常大,對於電網運行質量有很嚴重的污染,對設備本身也有相當的破壞作用,輕則不能夠連續正常運行,重則造成設備輸入迴路的損壞。

(7)變頻器對電機漏電、軸電壓與軸承電流的影響

高頻pwm脈衝輸入下,電機內分佈電容的電壓耦合作用構成系統共模迴路,從而引起電機對地漏電流、軸電壓與軸承電流問題。漏電流主要是pwm三相供電電壓極其瞬時不平衡電壓與大地之間通過定子與機殼之間的等效電容csf產生。其大小與pwm的dv/dt大小與開關頻率大小有關,其直接結果將導致帶有漏電保護裝置動作。另外,對於舊式電機,由於其絕緣材料差,又經過長期運行老化,有些在經過變頻改造后造成絕緣損壞。

軸承電流主要以三種方式存在:dv/dt電流、edm(electric discharge machining)電流和環路電流。軸電壓的大小不僅與電機內各部分耦合電容參數有關,且與脈衝電壓上升時間和幅值有關。dv/dt電流主要與pwm的上升時間tr有關,tr越小,dv/dt電流的幅值越大;逆變器載波頻率越高,軸承電流中的dv/dt電流成分越多。edm電流出現存在一定的偶然性,只有當軸承潤滑油層被擊穿或者軸承內部發生接觸時,存儲在電子轉子對地電容crf(轉子與機殼之間的等效電容)上的電荷(1/2 crf×urf)通過軸承等效迴路rb(軸承對軸的電阻)、cb(軸承油膜的電容)和zb(非線性阻抗)對地進行火花式放電,造成軸承光潔度下降,降低使用壽命,嚴重地造成直接損壞。損壞程度主要取決於軸電壓和存儲在電子轉子對地電容crf的大小。

4 對策措施與建議

對普通非同步電動機來說,主要考慮的性能參數是過載能力、啟動性能、效率和功率因數,而在實施變頻技術改造后,過載能力和啟動性能不再需要過多考慮,而要解決的關鍵問題是如何改善電動機對非正弦波電源的適應能力,以及如何抑制電流中的高次諧波對電機的影響。應採取以下幾項對策措施:

(1)在實施變頻技術改造前,必須對電機進行絕緣性能的測試,要求要比標準電機高出一個等級。對於絕緣性能達不到要求的舊電機,建議採用新的變頻專用電機進行改造。

(2)為避免或者減小環路電流,應儘可能減小地線迴路的阻抗。由於變頻器接地線(pe變頻器)一般與電機接地線(pe電機)連接在一個點,因此,必須儘可能加粗電機接地電纜線徑,減小兩者之間的電阻,同時變頻器與電源之間的地線採用地線銅母排或者專用接地電纜,保證良好接地。對於電潛泵這樣的負載,接地阻抗ze電機可能小於ze變壓器與ze變頻器之和,容易形成地環流,建議斷開ze變頻器,抗干擾效果好。

在變頻器輸出端串接由電感、rc組成的正弦波濾波器是抑制軸電壓與軸承電流的有效途徑。目前有多家廠家可提供標準濾波器。

(3)變頻器輸入側加裝無源lc濾波器,減小輸入諧波,提高功率因數,成本較低,可靠性高,效果好。若在變頻器輸入側加裝有源pfc裝置,效果最好,但成本較高。

(4)在高頻衝擊負載如電焊機、注水泵、注聚泵、輸油泵、污水外輸泵等較大功率啟動頻繁的場合,建議用戶增加無功靜補裝置,提高電網功率因數和質量。

(5)在變頻器比較集中的泵站,建議採用集中整流,直流共母線供電方式。建議用戶採用12脈衝整流模式。優點是諧波小、節能效果好,特別適用於頻繁啟制動、電動運行與發電運行同時進行的場合。

(6)防止軸電流措施,對容量超過160kw電動機應採用軸承絕緣措施。主要是易產生磁路不對稱,也會產生軸電流,當其它高頻分量所產生的電流結合一起作用時,軸電流將大為增加,從而導致軸承損壞,所以一般要採取絕緣措施。

(7)提高電機絕緣等級,一般為f級或更高,加強對地絕緣和線匝絕緣強度,特別要考慮電機絕緣耐衝擊電壓的能力。

(8)加強電機日常保養。對電機的振動、雜訊問題,要充分考慮電動機構件及整體的剛性,儘力提高其固有頻率,以避開與各次力波產生共振現象;當轉速較高時,應採用耐高溫的特殊潤滑脂,以補償軸承的溫度升高。

5,結束語

在能源日趨緊張和全球氣候變暖節能減排呼聲高漲的雙重壓力下,油田企業加大節能降耗力度,最大限度地降低電力消耗,降低生產成本,是建設資源節型和環境友好型企業的內在需要和必然選擇,而推廣應用變頻調速節能技術是目前實現這一目標的最好選擇。本文主要是向業界同仁介紹了變頻器對普通電機設備的一些影響因素和解決這些問題的對策措施,希望對業界同仁們在電氣傳動設備技術改造和變頻調速節能技術推廣應用中能有所幫助和借鑒,盡量減少一些負面影響,避免因工作失誤而引起的經濟損失,充分發揮變頻調速節能控制技術的作用,實現其效益最大化。

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