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變頻電源范文1
關鍵詞：不間斷電源 變頻器 蓄電池
中圖分類號：TM61 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（a）-0007-02隨著科學技術的高速發展及人民生活水平的不斷提高，人們對電質量的要求及依賴性也越來越高。尤其是對一些不允許間斷供電的重要負荷的場合提出了更高的要求，比如：轉爐、氧槍提升等轉動設備以及電力、冶金、石化等行業的冷卻系統中的水泵、油泵等類負載，一旦斷電將導致運行中的機組停運，會給企業造成巨大的經濟損失。交流變頻型不間斷電源的出現為這些場合提供了可靠的電源保障。
1 設計思想
電機硬啟動對電網造成嚴重的沖擊，而且還會對電網容量要求過高，啟動時產生的大電流對設備、管路的使用壽命都不利。而變頻器的軟啟動功能可以使輸出電壓和頻率均從零開始，即限制了啟動電流，甚至小于額定電流電機都可以正常啟動，這樣不但減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，而且還延長了設備的使用壽命。
目前常用的電壓型變頻器，其中間直流環節的電壓約為510～620 V，如果在市電停電后能為變頻器的中間環節提供一路這樣的直流電壓，其逆變器就能不間斷地輸出三相正弦交流電壓，而且其電壓及頻率均能連續可調。由此只要配套一組蓄電池，就可實現對負載的不間斷供電。
2 系統組成和工作原理
由圖1可以看出，交流變頻型不間斷電源主要由矢量變頻器、蓄電池組、高頻開關充電模塊、監控模塊和隔離變壓器構成。
當交流供電正常時，由三相正弦交流電給變頻器負荷提供電源且電池不接入變頻器，同時交流電源由隔離變壓器經充電模塊對電池依電池狀態處于浮充或均充工況，使充電安全且滿容量充電，確?？煽亢髠潆娫?；當交流輸入電源中斷時，電池投入變頻器直流電源側使變頻器有可靠后備電源，繼續提供三相變頻電源輸出。
3 實例應用
遼寧凌源鋼鐵項目現場要求變頻器輸出功率為15 kW，交流事故停電后由電池繼續給變頻器供電，保證負載能連續工作，且后備時間為10 min以上。
3.1 矢量變頻器
變頻器選取西門子6SE70系列，對應額定功率15 kW選取即可。電機制動時（事故剎車），其由慣性產生的能量需要被消耗掉，所以需配備相應的制動單元。制動單元實質上是一個斬波器，它根據直流母線上電壓值的大小判斷制動的狀態從而進行投入和切除。同時它還可以監控制動電阻上流過的電流，使其正常、安全的工作。為了加大制動功率或提高長時間制動功率，可以再外接一個與其匹配的制動電阻。
3.2 蓄電池組
該設備采用閥控式密封鉛酸免維護蓄電池（VRLA）作為后備電源，其具有壽命長、無污染、體積小、放電性能好、維護量小等優點。
3.2.1 電池只數的確定
根據變頻器直流額定工作電壓范圍：510 V（-15%）-650（+10%），計算變頻器正常工作電壓的上限和下限值，即： V； V。
變頻器的直流工作電壓取其平均值，即：
由此得，取N=42只。
即： V
此電壓值在變頻器工作電壓范圍內，所以電池按42只選取即可。
Un為變頻器直流輸入電壓；Uf為單體蓄電池浮充電電壓。
3.2.2 電池終止電壓的確定
根據變頻器直流額定工作電壓范圍：510 V（-15%）-650（+10%），即當電壓低至 V時，變頻器仍然可以正常工作。
根據變頻器最低工作電壓，由此推算單只電池的放電終止電壓為： V。
蓄電池放電電流的計算公式為：。
P為變頻器功率，Pt為變頻器功率因數，η為變頻器效率，U為放電后電池組端電壓 A。
對照陽光電池放電表（見表1），得知：終止電壓在1.75 V時，放電15 min，大于32.96 A的電流值為46 A，即對應的電池為32 AH。由此可知15 kW的變頻器，至少需要配備32 AH的電池。
3.3 充電模塊的選擇
充電模塊采用新型大容量IGBT功率器件及先進的PWM脈寬調制技術，使其具有大功率輸出的特點。同時充電模塊采用獨特結構，對小容量的電池也能做到穩定的恒流充電，不會過充或欠充。因此具有良好的穩壓、穩流精度，確保用電安全和延長電池使用壽命。而且該IGBT充電模塊帶有內部溫度檢測，當溫度高時，自動開啟風扇散熱。在此基礎上采用抗干擾能力極強的計算機、串行A/D、D/A轉換器等新型器件，實現模塊的智能控制，確保其對電池進行恒壓限流充電。通過通信接口還可對模塊進行啟/停控制、參數設定、運行狀態檢測等操作。
3.3.1 充電模塊電壓的確定
即
Ur為充電裝置的額定電壓；n為蓄電池單體個數；Ucm為充電末期單體蓄電池電壓（閥控式鉛酸蓄電池為2.4 V）。
根據，得出 V考慮到電網電壓的波動及交流變直流時的占空比，為了提高電池和變頻器的可靠性，在此基礎上還需考慮一個可靠系數，即充電模塊需輸出的電壓為： V，由此可知充電模塊的輸入電壓為500 V，輸出電壓為605 V。
4.3.2 充電模塊電流的確定
充電模塊的主要作用就是給電池充電，而鉛酸蓄電池充電電流為0.1C10，即為 A由此，充電模塊額定電流為10 A，同時為了保證系統的可靠，一般充電模塊都為冗余設計，即10 A充電模塊2個。
3.4 監控模塊
具有人機操作界面的監控模塊是整個設備的信息處理中心，它分為監控單元和檢測單元兩部分。其功能為：通過內部通信總線與檢測單元、充電模塊等進行信息交換，獲得各種運行參數，實施各種控制操作，從而實現電源系統的“四遙”功能，即遙信、遙測、遙控、遙調；根據獲得的信息進行處理，并通過無源接點輸出報警信息或給充電模塊發出相應的控制命令；根據對交流進線電壓的監測，控制雙路交流輸入的切換；按照預設的充電曲線控制充電模塊對電池的充電；提供RS-232、RS-422或RS-485接口與后臺計算機通信；監測交流輸入電壓、輸出過壓、輸出電流、電池充電電壓、電池充電電流。
3.5 變壓器容量的確定
國內的供電電源一般都是380～400 V，而現在充電模塊輸入需要的交流電壓為500 V，所以需要使用隔離變壓器將電壓由380 V升壓到500 V，充電模塊是給電池提供直流充電電壓和電流的，電池已選定32 AH，那么根據鉛酸閥控式電池的充電特性，充電電流按照0.1倍的電池容量，由此得到電池的充電電流為3.2 A。
由此得出變壓器容量：
即
UE為整流變壓器二次線電壓；IE為整流變壓器二次線電流；ID為直流側電流
變壓器選用/Y-11型，即變壓器為 2.5 kVA，380/500 V/Y-11。
4 結語
此設備在現場運行良好，期間曾多次因為停電為現場提供了穩定可靠的電源，使現場設備能夠正常運行，得到用戶一致的認可。
參考文獻
[1] 電力行業標準.電力工程直流系統設計技術規程[M].北京：中國電力出版社，2006.
變頻電源范文2
關鍵詞：變頻電機 自起動 附加轉矩 氣隙
中圖分類號：TM921 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（b）-0111-02
當前部分的電機都是采用裝有蓄電池的控制器進行供電，這種電機的控制方式有轉矩轉速變化范圍比較寬，工作點較多，蓄電池的控制器變頻變壓采用全閉環控制等一系列優點。不過大部分的變頻電機都不需要考慮電機的起動性能；供電方式也只是采用工頻（220 V、50 Hz）的三相電源。但是有某種國外設計的電機在工頻電源供電時，不能夠以正常轉速進行起動。這種弊端給測試電機的空載、噪聲、振動、扭矩等性能帶來了極大的困難。在本中，我們通過增大定子和轉子之間的氣隙，從而達到削弱電磁場產生的附加轉矩的影響，從而使變頻電機實現自啟動功能。
1 原因分析及測試過程回顧
1.1 起動不良對電機其他性能的影響
為分析起動不良對電機其他性能的影響，我們首先要確定電機啟動時的負載特性。我們對比一臺能夠正常啟動的電機和一臺不能正常啟動的電機，采用變頻器來供電，設定三相電壓、頻率，測試三個工作點的負載特性如下表1所示。
由表1看出它們的負載特性比較相當，在此之后我們進行溫度、噪聲、振動環境下的測試，在這種條件下不能正常啟動的電機并無異常。實驗結果表明，不能正常啟動的電機別的性能均正常，只有啟動特性受到影響。所以說不能正常啟動是電機存在的主要問題。
1.2 電機不能正常起動的原因
我們通過計算得出，電機在48 V、50 Hz的條件下，起動轉矩達到4.5倍，起動電流為8.7倍。電機端電壓為10 V。
因此我們可以看出由于電機起動電流過大，引起電網電壓下降，最終導致電機的起動轉矩下降。當我們把電源電壓降到30 V時，電機依然處于“爬行”的狀態，電機端電壓維持在10 V左右。從另一方面可以得到以下結論：起動轉矩和定子相電壓的平方成正比。隨著定子端電壓的加大，起動轉矩成平方加大。將電機拿到測試中心加大端電壓測試，在測試中，即使將電壓值增加到100 V，起動轉矩增長4倍的情況下，電機依然處在“爬行”狀態，不能達到正常轉速。
由上述實驗我們可以得出結論：電機不能正常起動并不是由的起動轉矩不夠造成的。
1.3 最小轉矩影響
由于附加轉矩的影響，電機起動過程中有最小轉矩，最小轉矩轉速僅僅為其同步轉速的1/13～1/7區間內。國家標準GB/T 1032―2005“三相電動機試驗方法”中詳細介紹了測定最小轉矩的方法。但本文存在的起動問題與最小轉矩關系不是特別的明顯電機的“爬行”轉速為700～900 r/min，約為同步轉速的1/2。因此，最小轉矩對電機的起動有一定的影響。國標GB/T1032 要求測試時給電機加載，但該電機在空載下即無法正常起動。從以上的分析可以看出由于附加轉矩的存在，電機在起動過程中有最小轉矩，且最小轉矩時的轉速為同步轉速的1/10～1/13附近。
1.4 高次諧波磁場影響
在供電系統中諧波電流的出現已經有許多年了。過去，諧波電流是由電氣化鐵路和工業的直流調速傳動裝置所用的，由交流變換為直流電的水銀整流器所產生的。近年來，產生諧波的設備類型及數量均已劇增，并將繼續增長。所以，我們必須很慎重地考慮諧波和它的不良影響，以及如何將不良影響減少到最小。在實際的供電系統中，由于有非線性負荷的存在，當電流流過與所加電壓不呈線性關系的負荷時，就形成非正弦電流。任何周期性波形均可分解為一個基頻正弦波加上許多諧波頻率的正弦波。諧波頻率是基頻的整倍數，例如基頻為50 Hz，二次諧波為100 Hz，三次諧波則為150 Hz。因此畸變的電流波形可能有二次諧波、三次諧波……可能直到第三十次諧波組成。所有的非線性負荷都能產生諧波電流，產生諧波的設備類型有：開關模式電源（SMPS）、電子熒火燈鎮流器、調速傳動裝置、不間斷電源（UPS）、磁性鐵芯設備及某些家用電器如電視機等。
我們采用高次諧波磁場進行分析，由高次諧波磁勢能夠產生附加轉矩對電機運行并沒有太大的影響，但是它卻對電機的起動特性有著顯著的影響。文獻[2]詳細的介紹了如何來削弱高次諧波。本文將影響電機的高次諧波參數進行綜合比較，如下表2所示。為了進行方便的比較分析，我們列出了與體積有關的設計參數。
2 改進措施及其對電機性能的影響
2.1 制定最佳改進方案并進行驗證分析
從表2可看出，該款電機與Y132-4、Y2-132-4電機的不同主要是定子外徑與內徑的差別，以及槽配合和氣隙的影響。我們優先考慮如何對槽配合和氣隙進行改進，為此我們改變轉子斜槽度，更換繞組型式（如采用短距雙層繞組）。定、轉子槽數對電機附加轉矩特性影響較大，其定子的槽數遠遠的小于轉子的槽數，這里所敘述的內容不在文獻[2]的敘述范圍。由于我們采用的是國外已經應用較為成熟的電機沖片進行設計的，定、轉子槽數對電機附加轉矩特性控制的較為優異。電機的氣隙相對較小，內徑與Y132M-4比較吻合。因此可以利用增大氣隙的方法來減少諧波造成的影響。從另一方面來說，采用這種設計方法，我們對轉子外圓進行車削也較為簡便。
我們將起動不良的電機轉子拆出后進行車削，將電機轉子的外圓從130.32 mm車至130.20 mm。重新放入轉子裝好電機，并對電機的起動時間進行測試，起動時間維持在2 s之內。
除此之外，我們還對另外8臺起動不良的電機進行相同的處理，轉子經過車削外圓重新裝入后起動特性均良好，由此表明，增大氣隙是改進電機起動特性的有效方法。
2.2 改造后電機性能的測試
電機的激磁電抗Xm可表示為
Xm=4fuo（2）
從上式可以看出，加大氣隙可使主電抗Xm減小。維持電源輸入不變的情況下，加大勵磁電流，使負載電流相應的增大，使電機的效率和功率因數降低。將起動不良的電機轉子拆出后進行車削，加大氣隙至0.40的電機進行負載試驗，實驗數據如下表3所示。因此結論完全正確。
3 結語
對于應用到動力控制系統的電動機，采用矢量控制，往往應用到精度要求較高的場合，而對于應用精度要求較低的場合大都采用VVVF控制，它們均不需要電機進行自起動。即便如此，在空載情況下，變頻電機必須要有自起動的能力。附加轉矩對電機的起動性能影響較大，要采用相應的控制算法控制轉速的升高。在不重新對電機進行設計的情況下，增大氣隙是削弱附加轉矩，是提升電機起動能力的最為簡便的方法。由于當前條件下，我們國內尚不能夠采用相應的計算軟件測出影響效果，這需要相關的設計人員認真研究，參考國外的成熟經驗，進一步的提高國內電機設計的合格率，從而提高具有較高性能的電機的國產比重。
參考文獻
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變頻電源范文3
論文關鍵詞：變頻電源,變壓整流器,變壓器設計
0引言
變頻發電系統具有簡單可靠的特點，在新一代飛機上得到了廣泛的應用，如B787，A380，C919飛機均采用了變頻發電系統。
飛機變壓整流器將主交流電源轉換成28V直流電源給直流用電設備供電。
1變壓整流器工作原理
本方案設計的12脈沖變壓整流器由一個變壓器，兩組三相整流橋等組成，其電路結構如圖1所示。它利用一個三相變壓器，其原邊繞組采用星形連接，副邊兩繞組分別采用星形和三角形聯接后分別接到兩個整流橋，兩組橋輸出端經平衡電抗器并聯，引出電抗器的中心抽頭作為直流輸出的正端，整流橋的負端直接相聯后作為輸出負端接至直流負載。
4.3仿真結論
經過仿真可知，設計的變壓整流器可滿足相關技術指標的要求，本設計方案可行。
5結論
本文以變頻交流發電系統為基礎，設計了一款變壓整流器，并進行了仿真驗證，仿真結果表明，設計的變壓整流器性能良好。驗證了設計的合理性，為對飛機變壓整流器的進一步研究奠定了基礎。
【參考文獻】
[1]嚴仰光.航空航天器供電系統[M].北京：航空工業出版社.
[2]李傳琦，盛義發.電子電力技術計算機仿真實驗[M].北京：電子工業出版社.
變頻電源范文4
變頻器過電壓主要是指其中間直流回路過電壓，中間直流回路過電壓主要危害在于：（1）引起電動機磁路飽和。對于電動機來說，電壓主過高必然使電機鐵芯磁通增加，可能導致磁路飽和，勵磁電流過大，從面引起電機溫升過高；（2）損害電動機絕緣。中間直流回路電壓升高后，變頻器輸出電壓的脈沖幅度過大，對電機絕緣壽命有很大的影響；（3）對中間直流回路濾波電容器壽命有直接影響，嚴重時會引起電容器爆裂。因而變頻器廠家一般將中間直流回路過電壓值限定在DC800V左右，一旦其電壓超過限定值，變頻器將按限定要求跳閘保護。
二、產生變頻器過電壓的原因
1.過電壓的原因
一般能引起中間直流回路過電壓的原因主要來自以下兩個方面：
（1）來自電源輸入側的過電壓
通常情況下的電源電壓為380V，允許誤差為-5%-+10%，經三相橋式全波整流后中間直流的峰值為591V，個別情況下電源線電壓達到450V，其峰值電壓也只有636V，并不算很高，一般電源電壓不會使變頻器因過電壓跳閘。電源輸入側的過電壓主要是指電源側的沖擊過電壓，如雷電引起的過電壓、補償電容在合閘或斷開時形成的過電壓等，主要特點是電壓變化率dv/dt和幅值都很大。
（2）來自負載側的過電壓
主要是指由于某種原因使電動機處于再生發電狀態時，即電機處于實際轉速比變頻頻率決定的同步轉速高的狀態，負載的傳動系統中所儲存的機械能經電動機轉換成電能，通過逆變器的6個續流二極管回饋到變頻器的中間直流回路中。此時的逆變器處于整流狀態，如果變頻器中沒采取消耗這些能量的措施，這些能量將會導致中間直流回路的電容器的電壓上升。達到限值即行跳閘。
2.從變頻器負載側可能引起過電壓的情況及主要原因
從變頻器負載側可能引起過電壓的情況及主要原因如下：
（1）變頻器減速時間參數設定相對較小及未使用變頻器減速過電壓自處理功能。當變頻器拖動大慣性負載時，其減速時間設定的比較小，在減速過程中，變頻器輸出頻率下降的速度比較快，而負載慣性比較大，靠本身阻力減速比較慢，使負載拖動電動機的轉速比變頻器輸出的頻率所對應的轉速還要高，電動機處于發電狀態，而變頻器沒有能量處理單元或其作用有限，因而導致變頻器中間直流回路電壓升高，超出保護值，就會出現過電壓跳閘故障。
大多數變頻器為了避免跳閘，專門設置了減速過電壓的自處理功能，如果在減速過程中，直流電壓超過了設定的電壓上限值，變頻器的輸出頻率將不再下降，暫緩減速，待直流電壓下降到設定值以下后再繼續減速。如果減速時間設定不合適，又沒有利用減速過電壓的自處理功能，就可能出現此類故障。
（2）工藝要求在限定時間內減速至規定頻率或停止運行。工藝流程限定了負載的減速時間，合理設定相關參數也不能減緩這一故障，系統也沒有采取處理多余能量的措施，必然會引發過壓跳閘故障。
（3）當電動機所傳動的位能負載下放時，電動機將處于再生發電制動狀態。位能負載下降過快，過多回饋能量超過中間直流回路及其能量處理單元的承受能力，過電壓故障也會發生。
（4）變頻器負載突降。變頻器負載突降會使負載的轉速明顯上升，使負載電機進入再生發電狀態，從負載側向變頻器中間直流回路回饋能量，短時間內能量的集中回饋，可能會中間直流回路及其能量處理單元的承受能力引發過電壓故障。
（5）多個電機拖動同一個負載時，也可能出現這一故障，主要由于沒有負荷分配引起的。以兩臺電動機拖動一個負載為例，當一臺電動機的實際轉速大于另一臺電動機的同步轉速時，則轉速高的電動機相當于原動機，轉速低的處于發電狀態，引起了過電壓故障。處理時需加負荷分配控制?？梢园炎冾l器輸出特性曲線調節的軟一些。
（6）變頻器中間直流回路電容容量下降
變頻器在運行多年后，中間直流回路電容容量下降將不可避免，中間直流回路對直流電壓的調節程度減弱，在工藝狀況和設定參數未曾改變的情況下，發生變頻器過電壓跳閘幾率會增大，這時需要對中間直流回路電容器容量下降情況進行檢查。
三、過電壓故障處理對策
對于過電壓故障的處理，關鍵一是中間直流回路多余能量如何及時處理；二是如何避免或減少多余能量向中間直流回路饋送，使其過電壓的程度限定在允許的限值之內。下面是主要的對策。
1.在電源輸入側增加吸收裝置，減少過電壓因素
對于電源輸入側有沖擊過電壓、雷電引起的過電壓、補償電容在合閘或斷開時形成的過電壓可能發生的情況下，可以采用在輸入側并聯浪涌吸收裝置或串聯電抗器等方法加以解決。
2.從變頻器已設定的參數中尋找解決辦法
在變頻器可設定的參數中主要有兩點：是減速時間參數和變頻器減速過電壓自處理功能。在工藝流程中如不限定負載減速時間時，變頻器減速時間參數的設定不要太短，而使得負載動能釋放的太快，該參數的設定要以不引起中間回路過電壓為限，特別要注意負載慣性較大時該參數的設定。如果工藝流程對負載減速時間有限制，而在限定時間內變頻器出現過電壓跳閘現象，就要設定變頻器失速自整定功能或先設定變頻器不過壓情況下可減至的頻率值，暫緩后減速至零，減緩頻率減少的速度。
3.通過控制系統功能優勢解決變頻器過電壓問題
在很多工藝流程中，變頻器的減速和負載的突降是受控制系統支配的，可以利用控制系統的一些功能，在變頻器的減速和負載的突降前進行控制，減少過多的能量饋入變頻器中間直流回路。如對于規律性減速過電壓故障，可將變頻器輸入側的不可控整流橋換成半可控或全控整流橋，在減速前將中間直流電壓控制在允許的較低值，相對加大中間直流回路承受饋入能量的能力，避免產生過電壓故障。而對于規律性負載突降過電壓故障，可利用控制系統如SIEMENS的PLC系統的控制功能，在負載突降前，將變頻器的頻率作適當提升，減少負載側過多的能量饋入中間直流回路，以減少其引起的過電壓故障。
4.采用增加泄放電阻的方法
一般小于7.5kW的變頻器在出廠時內部中間直流回路均裝有控制單元和泄放電阻，大于7.5kW的變頻器需根據實際情況外加控制單元和泄放電阻，為中間直流回路多余能量釋放提供通道，是一種常用的泄放能量的方法。其不足之處是能耗高，可能出現頻繁投切或長時間投運，致使電阻溫度升高、設備損壞。
5.在輸入側增加逆變電路的方法
處理變頻器中間直流回路能量最好的方法就是在輸入側增加逆變電路，可以將多余的能量回饋給電網。但逆變橋價格昂貴，技術要求復雜，不是較經濟的方法。這樣在實際中就限制了它的應用，只有在較高級的場合才使用。
6.采用在中間直流回路上增加適當電容的方法中間直流回路電容對其電壓穩定、提高回路承受過電壓的能力起著非常重要的作用。適當增大回路的電容量或及時更換運行時間過長且容量下降的電容器是解決變頻器過電壓的有效方法。這里還包括在設計階段選用較大容量的變頻器的方法，是以增大變頻器容量的方法來換取過電壓能力的提高。
7.在條件允許的情況下適當降低工頻電源電壓
目前變頻器電源側一般采用不可控整流橋，電源電壓高，中間直流回路電壓也高，電源電壓為380V、400V、450V時，直流回路電壓分別為537V、565V、636V。有的變頻器距離變壓器很近，變頻器輸入電壓高達400V以上，對變頻器中間直流回路承受過電壓能力影響很大，在這種情況下，如果條件允許可以將變壓器的分接開關放置在低壓檔，通過適當降低電源電壓的方式，達到相對提高變頻器過電壓能力的目的。
8.多臺變頻器共用直流母線的方法
至少兩臺同時運行的變頻器共用直流母線可以很好的解決變頻器中間直流回路過電壓問題，因為任何一臺變頻器從直流母線上取用的電流一般均大于同時間從外部饋入的多余電流，這樣就可以基本上保持共用直流母線的電壓。使用共用直流母線存在的最大的問題應是共用直流母線保護上的問題，在利用共用直流母線解決過電壓的問題時應注意這一點。
變頻器中間直流過電壓故障是變頻器的一個弱點，關鍵是要分清原因，結合變頻器本身參數、控制系統狀況和工藝流程等情況，才能制定相應的對策，只要認真對待，該過電壓故障是不難解決的。
變頻電源范文5
繞組計算對于進行方波轉換的高頻變壓器，其基本設計公式為［4］（式略）式中:N1為變壓器原邊繞組匝數(T);V1為施加在該繞組上的電壓幅值，這里指輸入電壓，V1=27V;B為工作磁通密度，B=3400GS;SC為磁心有效截面積，SC取0．42cm2;f為高頻變壓器工作頻率，f=80×103Hz。由式(1)得N1≈5．9T，取N1為6匝（式略）式中:N2為變壓器副邊繞組匝數(T);V2為變壓器副邊繞組輸出電壓，V2=1250V。由式(2)得N2=277．8T，取N2為278匝。導線線徑計算集膚效應的考慮導線中通過交變電流時會產生集膚效應。由于電流的集膚效應，使導線有效截面積減少，因而導線在交流電作用時的實際電阻將比它在直流電作用時要大［5］。顯然，交變的頻率越高，電阻增大也越多。本電路工作頻率是80kHz，在選擇電流密度和導線線徑時必須考慮集膚效應引起的有效截面積的減少。導線通有高頻交變電流時有效截面積的減少可以用穿透深度Δ來表示。Δ是交變電流沿導線表面開始能達到的徑向深度，它所具有的橫斷面積即為導線的有效截面［6］。Δ隨電流的交變頻率f、導線的導磁率μ以及電導率γ的不同而異，有下述關系（式略）顯然，在選用高頻變壓器原副邊繞組導線線徑時應遵循小于兩倍穿透深度。當使用的導線線徑大于由穿透深度決定的數值時，應知由于集膚效應引起的電阻的增加，以便計算線路壓降和溫升。導線在交變電流下的電阻RAC和直流電阻RDC的比值用Kr來記，有（式略）式中:Kr稱為趨表系數［8］。Kr值的大小不僅與交變電流的頻率有關，而且還與材料的性質、導線的形狀等有關，要精確地計算頗難，在實際應用時通常利用現成的曲線圖表查得。初級線圈線徑計算變壓器最大輸出功率P0=4W，η=85%，則流過（式略）
繞組的繞制要求
高頻變壓器繞制時需要特別注意漏感帶來的影響。漏感將會引起關斷電壓尖峰，雖然可以用RC吸收網絡加以抑制，但最根本的辦法還是在選擇磁芯和繞組繞制時盡可能地減小漏感。無論何種磁芯形狀都應使原副繞組盡可能緊密耦合。對于環形磁芯結構，不管原副邊繞組匝數多少均應沿磁環圓周均勻地分布。
變壓器的屏蔽
處理屏蔽有3類，即電磁屏蔽、靜電屏蔽和磁屏蔽。電磁屏蔽主要是防止高頻電場的影響，利用電磁場在金屬導體內部產生渦流從而起屏蔽作用，因此來自空間的輻射干擾將受到電磁屏蔽的保護。如果將電磁屏蔽接地，則兼有靜電屏蔽的功能。靜電屏蔽是切斷相鄰導體之間的靜電耦合，并且通過分布電容和適當的接地點(或某個對地有固定電位差的授位點)，為干擾提供一個旁路通道。磁屏蔽防止磁耦合，用高導磁率材料將需要屏蔽的地方包起來，以便將磁力線限定在磁阻小的磁屏蔽導體內部，防止擴散到外部去，或者避免外部漏磁闖進來。變壓器的安裝位置及屏蔽方法，對電路的設計至關重要。一個變壓器如不設磁屏蔽，則漏磁不可避免地要和周圍電磁元件發生交連。漏磁在X方向上最顯著，Y方向上最少，。又因漏磁影響與距離平方成反比，所以仔細選擇變壓器的安裝位置對改善漏磁干擾有一定效果。磁屏蔽材料必須具有一定的厚度，否則磁屏蔽不可能徹底［10］。在多種變壓器的安裝方式中選擇兩種典型的方式進行測試對比(兩種電源的原理及所用器件一致)。Ⅰ型高壓電源的輸入插座置于變壓器的X方向上，且距離較近，變壓器未加屏蔽。Ⅱ型高壓電源的輸入插座距離變壓器較遠，不在變壓器X方向上，且變壓器加屏蔽板，屏蔽板厚度為0．5mm，材料為銅。輸入插座為高壓電源提供兩路輸入電壓:一路為控制芯片的工作電壓;另一路為變壓器的供電電源，都為+27V。Ⅰ型高壓電源測試結果芯片工作電源紋波Vp-p=3．6V，工作電源已受到變壓器的干擾，頻率與變壓器工作頻率相同。在芯片工作電源處增加濾波電容，紋波仍然，且未減小。輸出電壓紋波雜亂且不穩定，長時間通電，紋波還會增大。為減小紋波在控制電路及反饋電路中增加濾波電容，但效果不明顯，沒有改觀。Ⅱ型高壓電源測試結果芯片工作電源紋波Vp-p=560mV，波形如圖7所示。紋波只是電源自身及測試線造成的紋波，變壓器對電源測試結果分析從測試結果可看出:Ⅰ型高壓電源+27V工作電源受到一個固定的尖脈沖干擾，這個固定尖脈沖的周期與變壓器的工作周期相同，即便增加濾波電容也無明顯改善，并由此導致板極電壓的紋波大。由此可見輸入電壓插座在變壓器X方向，且變壓器未加屏蔽時對輸入電壓的干擾嚴重，這種干擾很難減弱，并會影響整個電路的正常工作。而Ⅱ型高壓電源+27V工作電源的紋波是由電源自身及測試線引起，幅值很低，對輸出沒有造成影響。改變輸入插座的安裝位置，使其遠離變壓器，并對變壓器進行很好的屏蔽處理，可將變壓器的干擾減少到最小。
變頻電源范文6
（西門子（中國）有限公司上海分公司，上海 200082）
摘要：對變頻電機軸電流產生的原理進行分析，為減少軸電流的危害，提出了多種應對措施。
關鍵詞 ：變頻電機；軸電壓；軸電流；軸承；絕緣；電磁兼容
0引言
隨著變頻技術的廣泛運用，因軸電流而造成的電機軸承損壞或者軸承使用壽命縮短的現象已不容忽視。特別是對于大中型變頻電機，在電機設計和安裝時必須考慮如何減少軸電流的產生。
1逆變供電產生的電機軸電壓、軸電流原理分析
電機運行時，轉軸兩端之間或軸承之間產生的電位差叫做軸電壓，若軸兩端通過電機機座等構成回路，則軸電壓形成了軸電流。軸電壓是伴隨著電機旋轉產生，一般工頻電機軸電壓產生的原因包括磁路不平衡、靜電感應、電容電流等。在正弦波工頻電網供電時，正常情況下轉軸兩端電位差很小，對電機的影響可以忽略。
目前廣泛應用的變頻電機大都采用PWM逆變器供電，這時電機的軸電壓主要是由于電源三相輸出電壓的矢量和不為0的零序分量產生。變頻器PWM脈寬調制導致調速驅動系統中高頻諧波成分增多，這些諧波分量在轉軸、定子繞組和電纜等部分產生電磁感應，電機內分布電容的電壓耦合作用構成系統共?；芈罚@種共?；芈冯妷阂愿哳l振蕩并與轉子容性耦合產生轉軸對地的脈沖電壓，該電壓將在系統中產生零序電流，電機軸承則是這個零序回路的一部分。軸電流是軸電壓通過電機軸、軸承、定子機座或輔助裝置構成閉合回路產生的。為了能夠清晰地描述軸電流產生的原因，可參考圖1所示電機內部電容分布示意框圖和等效電路圖。
1.1變頻電機軸電壓和軸電流的限值
1.1.1軸電壓的限值
所有電機運轉時或多或少都會產生軸電壓，電機所容許的軸電壓或軸電流與很多因素有關。軸電壓的精確限值幾乎不能確定，因為軸承工況還有油膜對比度影響很大。西門子對軸電壓有以下限制值要求：
Ushaft（RMS）≤350 mV
Ushaft（peak）≤700 mV
電機軸電壓在電機驅動端與非驅動端兩端測量，如圖2所示。因為軸電壓是高頻脈沖電壓，所以普通的工頻表無法準確測量，需要采用響應頻率高的表。如果測量出的軸電壓高于以上限制值，那么就必須采取相應措施來減小軸電流對電機軸承的危害。
1.1.2軸電流的限值
為判斷軸電流大小是否已經影響了電機軸承壽命，可對軸電流的限值按以下兩種方式確定。
（1） 按照經驗粗略估算：
軸電流的大小對滑動軸承和滾動軸承的影響略有不同。對滑動軸承而言，若軸電流小于10 A，基本無燒蝕；當軸電流值為10～40 A時，則只能維持運轉3 000～12 000 h。對滾動軸承而言，由于滾珠（滾柱）與軸承內外圈滾道的接觸面積小，對軸電流的敏感性比滑動軸承更大，軸電流給滾動軸承造成的損傷更厲害。當軸電流大于2 A時，幾小時內即可損傷；若軸電流達1～1.4 A，軸承只能持續運轉200～700 h；只有在軸電流小于1 A時，滾動軸承才能持續運行。
（2） 根據實際軸承尺寸及參數，按照軸承電流密度計算：
美國學者Busse在文獻中給出了軸承電氣壽命Le的估計公式：Le=7 867 204×10-217Jb，其中：
Jb=Ib/Sb
式中，Jb為軸承的電流密度（A/mm2）；Ib為軸電流（A）；Sb為軸承滾珠（柱）與滾道的接觸面積（mm2）。
研究表明，當軸承的電流密度Jb＜0.56 A/mm2時，Le遠大于軸承的機械壽命，軸承電流不會對軸承的運行可靠性帶來顯著的影響；當Jb=0.8 A/mm2時，Le與軸承的機械壽命相當，此時軸電流的影響就不能忽略了。
1.2軸電流分類
（1） 環流（the Circular Current）；
（2） 靜電放電電流（the Electrostatic Discharge Machining Current）；
（3） 轉子軸電流（the Rotor Shaft Current）。
驅動系統中存在的以上3種軸電流如圖3所示。
1.2.1環流（the Circular Current）
電機定子相對外殼電容Cwh的極性會因為逆變器IGBT每次的通斷改變，同樣電機電纜對地電容和相間電容的極性也會不斷改變，這樣就會在定子和電機外殼之間以及定子和接地端之間產生高頻容性漏電流。由于電機磁路不平衡，該漏電流會感應出高頻軸電壓VShaft。如果電機軸承的油膜絕緣性不能克服感應出的軸電壓，那么就會沿著電機軸非驅動端軸承電機外殼驅動端軸承電機軸產生容性環流。因此環電流會經過一個軸承從轉子軸流向電機外殼，再經過另一個軸承從外殼流回到轉子軸。環流的大小很大程度上取決于
定子繞組和電機外殼容性的大小，它會隨著電機軸高度的增加而增大，當電機軸高超過225 mm時，因環流而產生的軸電流會明顯增加。
1.2.2靜電放電電流（the Electrostatic Discharge Machining Current）
電機在運轉過程中，三相繞組對地電壓在每次電壓突變時都會通過電機定子繞組相對轉子之間的電容Cwr給軸承相對外殼之間的電容Cb充電。軸和軸承之間的軸承電壓時間特性是繞組三相對地電壓相互疊加的結果。電壓的幅值隨軸承分壓比BVR（Bearing Voltage Ratio）的增大而減小，軸承分壓比根據以下公式計算：
從以上公式可以得出，軸承電壓VBearing等于三相繞組對地電壓疊加值乘以軸承分壓比。對于標準電機，這個電壓值一般是繞組相對地電壓平均值的5%。最壞的情況下，軸承電壓能達到一個相當高的值，其足以破壞軸承滾珠和軸瓦之間的油模，軸承相對電機外殼之間的電容Cb和電機轉子相對電機外殼之間的電容Crh會通過瞬間的高電流脈沖放電，這種電流脈沖就是靜電放電電流。
1.2.3轉子軸電流（the Rotor Shaft Current）
為了形成環流，流經定子繞組和轉子之間電容Cwr的高頻容性漏電流必然要通過電機外殼流回到逆變器。如果電機外殼接地不好，由于高頻電流和高頻漏電流的存在，在電機外殼上就會形成較高的對地電壓VHousing。如果聯軸器、齒輪箱和驅動設備等又接地狀況良好，那么高頻電流就會向著阻值低的方向流動：電機外殼電機軸承電機軸聯軸器齒輪箱驅動設備接地系統逆變器。如果電流沿著這一路線流過了上述設備，那么就不僅僅只有電機軸承有損壞的風險，齒輪箱和驅動設備的軸承也極有可能被軸電流損壞。
2減小軸電流的措施
考慮到軸電流由很多因素造成，那么就必須采取一系列的措施才能有效減小軸電流。通常有以下幾種措施：
（1） 按照EMC電磁兼容性要求安裝；
（2） 電機驅動端采用絕緣軸承；
（3） 采用絕緣性聯軸器；
（4） 驅動端安裝接地碳刷；
（5） 采用輸出電抗器或輸出濾波器。
2.1按照EMC電磁兼容性要求安裝
等電位安裝傳動系統相關設備，保證變壓器、變頻器、電機、齒輪箱及傳動設備保護接地點電位相等。高頻電流始終存在于變頻驅動系統中，但正確的電氣安裝能減小變頻驅動系統中高頻電流產生的壓降，從而減小軸電流。圖4是一個典型完整的傳動系統等電位接地系統示意圖。
驅動系統保護接地（圖4中［0］）：所有傳動系統相關電氣設備以及機械設備外殼必須接地。必須采用標準的PE電纜接地，電纜不必具有高頻特性。
變頻器內部接地（圖4中［1］）：變頻器是產生高頻電流的源頭，變頻器金屬外殼與PE排以及與EMC屏蔽排之間的高頻電流，是造成軸電流的直接因素，因此，變頻器內部的接地是否良好至關重要。采用的接地電纜必須具有高頻特性，電纜截面積不能小于95 mm2，連接長度必須盡可能短。
電機電纜（圖4中［2］）：對于功率較高的傳動系統，電機電纜必須采用具有高頻特性的屏蔽電纜。為了盡可能抑制高頻諧波對電機產生的影響，推薦使用對稱電纜（Symmetrical Cable）。圖5所示的兩種電纜均為對稱電纜。對于變頻驅動系統，常用第一種對稱電纜。圖6所示為非對稱電纜，一般不推薦使用在較高功率的傳動系統中。
另外，在安裝屏蔽電纜時，要盡可能使用圖7所示安裝方法：使用金屬夾將電纜屏蔽層安裝在TE排上，這樣能有效增大屏蔽層接地面積。
驅動設備與電機外殼連接（圖4中［3］［4］［5］）：電機主接線箱與電機外殼必須使用高頻電纜連接。如果齒輪箱、傳動設備與電機之間沒有有效的等電位安裝，齒輪箱與電機外殼之間、傳動設備與電機外殼之間分別需要有電纜連接。
變頻器PE排與接地網連接（圖4中［6］）：連接電纜必須使用高頻電纜，且導線截面積需要大于95 mm2。
2.2電機驅動端采用絕緣軸承
如果驅動系統滿足了EMC電磁兼容性安裝要求，就能很大程度上抑制電機軸對地的電流。另外，如果電機非驅動端采用絕緣軸承，那么從電機軸非驅動端軸承電機外殼驅動端軸承再到電機軸這一回路上的阻抗就會顯著增大，從而流過軸承的電流就會相應減小。
當電機非驅動端安裝有編碼器時，為了阻止軸電流從非驅動端軸上流向電機外殼或地，編碼器軸必須絕緣安裝。
2.3采用絕緣性聯軸器
如圖8所示，當驅動端和非驅動端都采用絕緣軸承時，非驅動端可以安裝軸接地的編碼器或專門的軸接地裝置，驅動端必須采用絕緣聯軸器。
2.4驅動端安裝接地碳刷
如圖9所示，當驅動端和非驅動端都采用絕緣軸承時，如果非驅動端沒有安裝軸接地裝置，可以在驅動端安裝軸接地碳刷，將驅動端軸接地。這種情況下，聯軸器可以是非絕緣的。
2.5采用輸出電抗器或輸出濾波器
一般情況下，符合EMC電磁兼容性要求安裝和非驅動端采用絕緣軸承的措施就能有效抑制并維持軸電流在安全值以下。如果是在特別情況下，也可以通過在變頻器輸出側增加平波電抗器、共模濾波器或dv/dt濾波器來減小電機電壓上升率，抑制高頻諧波，減小軸電流。
3結語
通過以上處理，大多電機的軸電流已微乎其微，對電機構不成實質危害。現場實踐證明，經過上述方式處理后實際使用效果明顯，上述方式對于高壓電機軸電流的防范效果尤其好，對保障安全生產具有積極作用。
［
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