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基于AC80参数设置对烧电机事故的研究

供稿:深圳伟创电气有限公司 2016/6/8 14:49:15

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  • 关键词: 变频器 伟创 AC80
  • 摘要:变频器参数设置不当易引起烧电机事故,本文首先列举了VEICHI伟创变频器相关参数,以AC80参数组为例,从电机的机械特性表达式出发,深入分析了接近工频下电机输入电压过高或过低时的工作特性,并从中分析参数设置不当造成烧电机的原因。其次从整个PDS(电气传动系统)考虑,分析了低频运转时V/F控制和矢量控制各自工作特性,以指导相关参数设置来解决现场实际问题。载波频率也是影响电机寿命的一个关键参数,本文以独立章节对其进行了相关分析。文中通过追踪公司客服部门历年烧电机案例来研究问题,不仅对客户和调试人员有一定帮助,对变频器的研发设计也有一定的参考价值。


0  引言

电机烧坏存在诸多因素,从整个PDS来看,可从变频器,电机,负载及环境四个对象来分析。为避免因变频供电引起烧电机事故,本文从电机拖动原理出发,针对变频器烧电机可能存在的原因进行了理论深分析。并指导VEICHI AC70、AC80相关参数的优化设置,力求知其然而知其所以然。


1 电压参数

  电压型变频器主要通过控制PWM脉冲电压波形对电机进行控制,据相关统计,大多数烧电机事故由电流过大引起,因此调节等效电压幅值相关的参数来控制电流为处理烧电机问题首当其冲的选择,VEICHI AC70、AC80相关电压参数如下表:

表1  VEICHI AC70、AC80、AC100相关电压参数

电压参数

AC70

AC80、AC100

电机额定电压

E56

F5.05

转矩提升

E18

F8.12

AVR功能

E24

F0.20

V/F曲线模式

E17

F8.00

自设定V/F

H01—H10

F8.01—F8.10

为简单计,本文后续仅以AC80参数组为例。


2 变频器输出电压问题

电机电压过高或过低,均可以导致系统长期过电流而烧电机,电压问题的表现形式有多种多样,有案例1杭州空压机2012-07-30:电机低频低压过流运行而烧毁电机;案例2广东木工机械2011-11-8:电机三角形接法错接成星形接法造成低电压驱动重载而烧电机(电压降为原电压的1/1.732倍,转矩降为原转矩的1/3);案例3河北矿业用电机2011-09-17:电压过高使电机磁路饱和导致电机过流跳SC,电机虽被变频器保护,但电流却以突变的形式危害绕组绝缘,缩短电机寿命;案例4真空泵2012-08-01:电网电压太低而烧毁电机等等。

当然以上问题的直接表现是电机过流过热、机械特性变软、电机启动能力太差等。我们通常的做法是对表1的参数进行尝试性调整,如加大额定电压到国标容差极限——400V甚至更高,启用转矩提升,AVR功能,选择或设定V/F曲线等…殊不知该怎样调,优先调整哪一个,调多大等问题,因此,为避免因参数设置不当造成烧电机事故,下面重点研究此类问题。


3 电机定子频率f1接近工频时的分析

3.1  关系式与等效拓扑

由文献1知,电机励磁阻抗比定、转子漏阻抗大很多,变频器输出频率f1较大时可近似开路,对应电机机械特性表达式:






电流关系:



等效电路图为:



    图1  三相异步电机的T型等效电路


3.2  f1接近工频运行AC80-F5.05小幅增加

当电机定子端电压U1增加时,由式1知电机的电磁力矩T正比于电压U1的平方(T∝U12),则电磁力矩T增大,为保持与负载力矩平衡,转差率s将减小,图1中(1-s/s) R2`增大,则转子电流-I2`将随之减小。

当电压离额定值不大时,磁通Ф1还增大得不多的时候,铁芯未饱和,结合式3和式4看,励磁电流I0的增加是与电压U1成比例的,因此I0 增加。

根据式2:定子电流I1=I0+(-I2), 一增一减则定子电流可能不变。但在逐步调大F5.05的过程中,负荷力矩一定时,负载电流减小占优势,即转子电流-I2`的减小要快于励磁I0 的增加,最终定子电流I1减小。


3.3  f1接近工频运行AC80-F5.05继续增加

当电压U1继续增加时,电机中的磁通将增加,由于电机磁路的饱和,根据BH曲线(见附图),在磁通Ф1增加不多的情况下励磁电流I0将大大增加。又由于在额定负载范围内运行时,转差率s很小(s≈0.05),因此由于转差率减小而引起转子电流-I2`的减小小于电压升高励磁电流I0的增加,根据式2: I1=I0+(-I2), 结果使定子电流I1上升。

因此,当电压升高过多时,不仅铁损增大,而且定子绕组的铜损也要增加,电动机的功率因数变坏,从而使定子绕组过热而易烧电机。

3.4  电网电压或其它原因使U1过低

有多种可能情况使U1过低,如PWM波中的基波含量不高,直流母线电压不够,变频器负载能力太低,电压参数设置错误,载波频率太高(死区时间占空比增加),电缆过长分压,漏电流过大,案例2中的电机接法错误…等诸多因素。分析如下:

当电压U1降低时,由于磁通Ф1的减小使励磁电流I0也减小,电磁力矩T(T∝U12)以平方倍速降低,如负载力矩一定时,为维持电磁转矩依旧不变,转差s增大,转子电流-I2`增大,而励磁电流I0减小,通常前者占优势,根据式2:定子电流I1=I0+(-I2),故当电压降低时,定子电流I1通常是增大的,且直到电机产生的电磁力矩和负载力矩平衡为止。
如果电压U1降低过多,转差率s的增大而引起转子电流-I2`的增加将远大于励磁电流I0的减小。结果使电动机的功率因数cosφ1变坏,转子和定子电流将超过允许值。虽然由于磁通Ф1减小,铁损或许降低一些,但铜损随电流的平方而成正比的增加,所以总的损耗还是增加,电机将过热。

因此,异步电机的电磁转矩T对电源电压U1是很敏感的,如电源电压有所降低,电动机的转矩会大大降低,如电动机的端电压降低为原来电压的80%,电机转矩就会减少到原转矩的64%,如电动机的端电压降低为原来电压的70%,电机转矩就会减少到原转矩的50%


4 现场电机f1较小时的分析

4.1  特性表达式

不管是矢量控制(E1/F不变)还是V/F控制,由于都是磁场控制,这两种控制方式在接近工频运行时,磁场趋于一致,即E1/F≈V/F,Ф1≈常数,而这两种控制的主要区别在低频端,由式1可推导出 V/F控制下的最大转矩为(参考文献1):


(7)
而矢量控制的最大转矩:



 

从式7可以看出,保持U1/f1为常数,当f1接近额定频率时,R1<< (X1σ+X`2σ) ,随着f1的减小,Tm减小得不多,因此与矢量控制区别不大。但是,当f1较低时,X1σ+X`2σ比较小,R1相对变大了。这样一来,随着f1的减小, Tm减小了。从而解释了V/F控制下,电机低频转矩降低,机械特性变坏。


4.2  V/F控制下f1较低运行需自设定F8.01—F8.10

当电机运行于低速时(n≈0,s≈1),这时的定子电压U1全部降落在定、转子的漏阻抗上。通常定、转子的漏阻抗Z1≈Z`2 (F5.08≈F5.09),这样定、转子漏阻抗上的电压降各近似为定子电压U1的一半左右。也就是说,定子感应电动势E1近似是U1的一半左右,气隙主磁通Ф1也将变为空载时的一半左右。所以:
(1)启动困难时,须适当设定转矩提升值F8.12对定子电压U1,确切的说,对定子感应电动势E1进行提升补偿
(2)出现如案例1的低频低压大电流情况,可适当将低频点对应的电压进行设定,其原理与3.2、3.3节调试F5.05参数相同,不予赘述。


4.3  矢量控制下f1较低运行需学习准确
  矢量控制不同于V/F控制,从式8分析, f1较低时,最大转矩Tm仍旧为常数,它在低速时能输出100%力矩,因此其机械特性较硬,稳定性好。然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测(学习不准),系统特性受电机参数的影响较大,且在等效直流电机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际控制的效果难以达到理想分析的效果。因此,矢量控制是建立在准确的电机数学模型上进行控制的,如果学习不够准确,将造成过励磁或励磁不够,最终导致电流I0或(-I2)增大烧电机。


5  载波频率fk

说明书AC70-E20和AC80-F0.17对载波频率作了较详细的调试说明。从延长电机寿命的方面考虑,有补充如下:

(1)载波频率fk越高,因死区补偿占空比增加,导致输出等效电压U1降低,电机力矩T降低,因此定子电流I1增加;反之,fk越低,电机力矩增加。

(2)载波频率fk调高,可降低电机THD,减少谐波对电机的转矩脉动冲击和谐波损耗,从而使电机减振且温升下降。但由(1)知,也有可能因定、转子电流的增加使铜损耗增加,当铜损增加到大于谐波损耗的减小时,温度又开始升高,因此须谨慎调节。

(3)设定载波频率fk,使载波比N=fk/f1的数值为3的整数倍时,文献3指出电机将自动消除基波f1的3的整数倍谐波,从而有利于延长电机使用寿命,如电机在f1=40HZ节能运行时:
N1= fk /40=1.2KHz/40HZ=30;
N2= fk /40=2.4 KHz/40HZ=60;
N3= fk /40=3.6kHZ/40HZ=90;
N1=30,N2=60,N3=90均为3的整数倍关系,设定的fk为1.2KHz、2.4 KHz、3.6kHZ。


5  总结

(1)变频器输出电压过高或过低均可能造成定子电流增大而烧坏电机。

(2)在定子铁芯未饱和的情况下,适当增加变频器输出电压(参考文献4:国标 ≤5%Un)可获得平方倍电磁转矩提升,而且可以使定子电流减小。

(3)在(2)基础上,继续通过参数设置提高电压可能使磁通深度饱和,导致转矩增加不明显,定子电流却迅速增大

(4)在电机低频低压大电流的情况下,因定、转子分压,磁通远未饱和,可适当升高低频点电压获得转矩提升,降低定子电流。

(5)AC80系列矢量控制在对电机的自学习时,鉴于电机参数有可能发生变化,会影响变频器对电机的控制性能,因此矢量控制只有做到准确的参数辨识和自适应,才能在给定频率段发挥最有效的控制。

(6)从电机层面着想,调整载波频率fk时,需考虑负载转矩、电机谐波和温升方面的影响。


参考文献
[1] 李发海,王岩. 电机与拖动基础 清华大学出版社 2008年第3版。
[2] 伟创电气AC70、80B系列变频调速器使用说明书。
[3] 关慧,赵争鸣. 变频器驱动下的异步电机设计与分析. 清华大学电机学硕士学位论文,2004年11月。
[4] GB755-2008 旋转电机定额与性能. 2008年06发布。

附——BH曲线分析图:



审核编辑(王静)
更多内容请访问 深圳伟创电气有限公司(http://c.gongkong.com/?cid=37667)

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