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变频电源范文1
关键词：不间断电源 变频器 蓄电池
中图分类号：TM61 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（a）-0007-02随着科学技术的高速发展及人民生活水平的不断提高，人们对电质量的要求及依赖性也越来越高。尤其是对一些不允许间断供电的重要负荷的场合提出了更高的要求，比如：转炉、氧枪提升等转动设备以及电力、冶金、石化等行业的冷却系统中的水泵、油泵等类负载，一旦断电将导致运行中的机组停运，会给企业造成巨大的经济损失。交流变频型不间断电源的出现为这些场合提供了可靠的电源保障。
1 设计思想
电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流对设备、管路的使用寿命都不利。而变频器的软启动功能可以使输出电压和频率均从零开始，即限制了启动电流，甚至小于额定电流电机都可以正常启动，这样不但减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，而且还延长了设备的使用寿命。
目前常用的电压型变频器，其中间直流环节的电压约为510～620 V，如果在市电停电后能为变频器的中间环节提供一路这样的直流电压，其逆变器就能不间断地输出三相正弦交流电压，而且其电压及频率均能连续可调。由此只要配套一组蓄电池，就可实现对负载的不间断供电。
2 系统组成和工作原理
由图1可以看出，交流变频型不间断电源主要由矢量变频器、蓄电池组、高频开关充电模块、监控模块和隔离变压器构成。
当交流供电正常时，由三相正弦交流电给变频器负荷提供电源且电池不接入变频器，同时交流电源由隔离变压器经充电模块对电池依电池状态处于浮充或均充工况，使充电安全且满容量充电，确保可靠后备电源；当交流输入电源中断时，电池投入变频器直流电源侧使变频器有可靠后备电源，继续提供三相变频电源输出。
3 实例应用
辽宁凌源钢铁项目现场要求变频器输出功率为15 kW，交流事故停电后由电池继续给变频器供电，保证负载能连续工作，且后备时间为10 min以上。
3.1 矢量变频器
变频器选取西门子6SE70系列，对应额定功率15 kW选取即可。电机制动时（事故刹车），其由惯性产生的能量需要被消耗掉，所以需配备相应的制动单元。制动单元实质上是一个斩波器，它根据直流母线上电压值的大小判断制动的状态从而进行投入和切除。同时它还可以监控制动电阻上流过的电流，使其正常、安全的工作。为了加大制动功率或提高长时间制动功率，可以再外接一个与其匹配的制动电阻。
3.2 蓄电池组
该设备采用阀控式密封铅酸免维护蓄电池（VRLA）作为后备电源，其具有寿命长、无污染、体积小、放电性能好、维护量小等优点。
3.2.1 电池只数的确定
根据变频器直流额定工作电压范围：510 V（-15%）-650（+10%），计算变频器正常工作电压的上限和下限值，即： V； V。
变频器的直流工作电压取其平均值，即：
由此得，取N=42只。
即： V
此电压值在变频器工作电压范围内，所以电池按42只选取即可。
Un为变频器直流输入电压；Uf为单体蓄电池浮充电电压。
3.2.2 电池终止电压的确定
根据变频器直流额定工作电压范围：510 V（-15%）-650（+10%），即当电压低至 V时，变频器仍然可以正常工作。
根据变频器最低工作电压，由此推算单只电池的放电终止电压为： V。
蓄电池放电电流的计算公式为：。
P为变频器功率，Pt为变频器功率因数，η为变频器效率，U为放电后电池组端电压 A。
对照阳光电池放电表（见表1），得知：终止电压在1.75 V时，放电15 min，大于32.96 A的电流值为46 A，即对应的电池为32 AH。由此可知15 kW的变频器，至少需要配备32 AH的电池。
3.3 充电模块的选择
充电模块采用新型大容量IGBT功率器件及先进的PWM脉宽调制技术，使其具有大功率输出的特点。同时充电模块采用独特结构，对小容量的电池也能做到稳定的恒流充电，不会过充或欠充。因此具有良好的稳压、稳流精度，确保用电安全和延长电池使用寿命。而且该IGBT充电模块带有内部温度检测，当温度高时，自动开启风扇散热。在此基础上采用抗干扰能力极强的计算机、串行A/D、D/A转换器等新型器件，实现模块的智能控制，确保其对电池进行恒压限流充电。通过通信接口还可对模块进行启/停控制、参数设定、运行状态检测等操作。
3.3.1 充电模块电压的确定
即
Ur为充电装置的额定电压；n为蓄电池单体个数；Ucm为充电末期单体蓄电池电压（阀控式铅酸蓄电池为2.4 V）。
根据，得出 V考虑到电网电压的波动及交流变直流时的占空比，为了提高电池和变频器的可靠性，在此基础上还需考虑一个可靠系数，即充电模块需输出的电压为： V，由此可知充电模块的输入电压为500 V，输出电压为605 V。
4.3.2 充电模块电流的确定
充电模块的主要作用就是给电池充电，而铅酸蓄电池充电电流为0.1C10，即为 A由此，充电模块额定电流为10 A，同时为了保证系统的可靠，一般充电模块都为冗余设计，即10 A充电模块2个。
3.4 监控模块
具有人机操作界面的监控模块是整个设备的信息处理中心，它分为监控单元和检测单元两部分。其功能为：通过内部通信总线与检测单元、充电模块等进行信息交换，获得各种运行参数，实施各种控制操作，从而实现电源系统的“四遥”功能，即遥信、遥测、遥控、遥调；根据获得的信息进行处理，并通过无源接点输出报警信息或给充电模块发出相应的控制命令；根据对交流进线电压的监测，控制双路交流输入的切换；按照预设的充电曲线控制充电模块对电池的充电；提供RS-232、RS-422或RS-485接口与后台计算机通信；监测交流输入电压、输出过压、输出电流、电池充电电压、电池充电电流。
3.5 变压器容量的确定
国内的供电电源一般都是380～400 V，而现在充电模块输入需要的交流电压为500 V，所以需要使用隔离变压器将电压由380 V升压到500 V，充电模块是给电池提供直流充电电压和电流的，电池已选定32 AH，那么根据铅酸阀控式电池的充电特性，充电电流按照0.1倍的电池容量，由此得到电池的充电电流为3.2 A。
由此得出变压器容量：
即
UE为整流变压器二次线电压；IE为整流变压器二次线电流；ID为直流侧电流
变压器选用/Y-11型，即变压器为 2.5 kVA，380/500 V/Y-11。
4 结语
此设备在现场运行良好，期间曾多次因为停电为现场提供了稳定可靠的电源，使现场设备能够正常运行，得到用户一致的认可。
参考文献
[1] 电力行业标准.电力工程直流系统设计技术规程[M].北京：中国电力出版社，2006.
变频电源范文2
关键词：变频电机 自起动 附加转矩 气隙
中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（b）-0111-02
当前部分的电机都是采用装有蓄电池的控制器进行供电，这种电机的控制方式有转矩转速变化范围比较宽，工作点较多，蓄电池的控制器变频变压采用全闭环控制等一系列优点。不过大部分的变频电机都不需要考虑电机的起动性能；供电方式也只是采用工频（220 V、50 Hz）的三相电源。但是有某种国外设计的电机在工频电源供电时，不能够以正常转速进行起动。这种弊端给测试电机的空载、噪声、振动、扭矩等性能带来了极大的困难。在本中，我们通过增大定子和转子之间的气隙，从而达到削弱电磁场产生的附加转矩的影响，从而使变频电机实现自启动功能。
1 原因分析及测试过程回顾
1.1 起动不良对电机其他性能的影响
为分析起动不良对电机其他性能的影响，我们首先要确定电机启动时的负载特性。我们对比一台能够正常启动的电机和一台不能正常启动的电机，采用变频器来供电，设定三相电压、频率，测试三个工作点的负载特性如下表1所示。
由表1看出它们的负载特性比较相当，在此之后我们进行温度、噪声、振动环境下的测试，在这种条件下不能正常启动的电机并无异常。实验结果表明，不能正常启动的电机别的性能均正常，只有启动特性受到影响。所以说不能正常启动是电机存在的主要问题。
1.2 电机不能正常起动的原因
我们通过计算得出，电机在48 V、50 Hz的条件下，起动转矩达到4.5倍，起动电流为8.7倍。电机端电压为10 V。
因此我们可以看出由于电机起动电流过大，引起电网电压下降，最终导致电机的起动转矩下降。当我们把电源电压降到30 V时，电机依然处于“爬行”的状态，电机端电压维持在10 V左右。从另一方面可以得到以下结论：起动转矩和定子相电压的平方成正比。随着定子端电压的加大，起动转矩成平方加大。将电机拿到测试中心加大端电压测试，在测试中，即使将电压值增加到100 V，起动转矩增长4倍的情况下，电机依然处在“爬行”状态，不能达到正常转速。
由上述实验我们可以得出结论：电机不能正常起动并不是由的起动转矩不够造成的。
1.3 最小转矩影响
由于附加转矩的影响，电机起动过程中有最小转矩，最小转矩转速仅仅为其同步转速的1/13～1/7区间内。国家标准GB/T 1032―2005“三相电动机试验方法”中详细介绍了测定最小转矩的方法。但本文存在的起动问题与最小转矩关系不是特别的明显电机的“爬行”转速为700～900 r/min，约为同步转速的1/2。因此，最小转矩对电机的起动有一定的影响。国标GB/T1032 要求测试时给电机加载，但该电机在空载下即无法正常起动。从以上的分析可以看出由于附加转矩的存在，电机在起动过程中有最小转矩，且最小转矩时的转速为同步转速的1/10～1/13附近。
1.4 高次谐波磁场影响
在供电系统中谐波电流的出现已经有许多年了。过去，谐波电流是由电气化铁路和工业的直流调速传动装置所用的，由交流变换为直流电的水银整流器所产生的。近年来，产生谐波的设备类型及数量均已剧增，并将继续增长。所以，我们必须很慎重地考虑谐波和它的不良影响，以及如何将不良影响减少到最小。在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波。谐波频率是基频的整倍数，例如基频为50 Hz，二次谐波为100 Hz，三次谐波则为150 Hz。因此畸变的电流波形可能有二次谐波、三次谐波……可能直到第三十次谐波组成。所有的非线性负荷都能产生谐波电流，产生谐波的设备类型有：开关模式电源（SMPS）、电子荧火灯镇流器、调速传动装置、不间断电源（UPS）、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。
我们采用高次谐波磁场进行分析，由高次谐波磁势能够产生附加转矩对电机运行并没有太大的影响，但是它却对电机的起动特性有着显著的影响。文献[2]详细的介绍了如何来削弱高次谐波。本文将影响电机的高次谐波参数进行综合比较，如下表2所示。为了进行方便的比较分析，我们列出了与体积有关的设计参数。
2 改进措施及其对电机性能的影响
2.1 制定最佳改进方案并进行验证分析
从表2可看出，该款电机与Y132-4、Y2-132-4电机的不同主要是定子外径与内径的差别，以及槽配合和气隙的影响。我们优先考虑如何对槽配合和气隙进行改进，为此我们改变转子斜槽度，更换绕组型式（如采用短距双层绕组）。定、转子槽数对电机附加转矩特性影响较大，其定子的槽数远远的小于转子的槽数，这里所叙述的内容不在文献[2]的叙述范围。由于我们采用的是国外已经应用较为成熟的电机冲片进行设计的，定、转子槽数对电机附加转矩特性控制的较为优异。电机的气隙相对较小，内径与Y132M-4比较吻合。因此可以利用增大气隙的方法来减少谐波造成的影响。从另一方面来说，采用这种设计方法，我们对转子外圆进行车削也较为简便。
我们将起动不良的电机转子拆出后进行车削，将电机转子的外圆从130.32 mm车至130.20 mm。重新放入转子装好电机，并对电机的起动时间进行测试，起动时间维持在2 s之内。
除此之外，我们还对另外8台起动不良的电机进行相同的处理，转子经过车削外圆重新装入后起动特性均良好，由此表明，增大气隙是改进电机起动特性的有效方法。
2.2 改造后电机性能的测试
电机的激磁电抗Xm可表示为
Xm=4fuo（2）
从上式可以看出，加大气隙可使主电抗Xm减小。维持电源输入不变的情况下，加大励磁电流，使负载电流相应的增大，使电机的效率和功率因数降低。将起动不良的电机转子拆出后进行车削，加大气隙至0.40的电机进行负载试验，实验数据如下表3所示。因此结论完全正确。
3 结语
对于应用到动力控制系统的电动机，采用矢量控制，往往应用到精度要求较高的场合，而对于应用精度要求较低的场合大都采用VVVF控制，它们均不需要电机进行自起动。即便如此，在空载情况下，变频电机必须要有自起动的能力。附加转矩对电机的起动性能影响较大，要采用相应的控制算法控制转速的升高。在不重新对电机进行设计的情况下，增大气隙是削弱附加转矩，是提升电机起动能力的最为简便的方法。由于当前条件下，我们国内尚不能够采用相应的计算软件测出影响效果，这需要相关的设计人员认真研究，参考国外的成熟经验，进一步的提高国内电机设计的合格率，从而提高具有较高性能的电机的国产比重。
参考文献
[1] 汤蕴，史乃，沈文豹.电机理论与进行（上册）[M].北京：水利电力出版社，1983.
[2] 陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，2000.
变频电源范文3
论文关键词：变频电源,变压整流器,变压器设计
0引言
变频发电系统具有简单可靠的特点，在新一代飞机上得到了广泛的应用，如B787，A380，C919飞机均采用了变频发电系统。
飞机变压整流器将主交流电源转换成28V直流电源给直流用电设备供电。
1变压整流器工作原理
本方案设计的12脉冲变压整流器由一个变压器，两组三相整流桥等组成，其电路结构如图1所示。它利用一个三相变压器，其原边绕组采用星形连接，副边两绕组分别采用星形和三角形联接后分别接到两个整流桥，两组桥输出端经平衡电抗器并联，引出电抗器的中心抽头作为直流输出的正端，整流桥的负端直接相联后作为输出负端接至直流负载。
4.3仿真结论
经过仿真可知，设计的变压整流器可满足相关技术指标的要求，本设计方案可行。
5结论
本文以变频交流发电系统为基础，设计了一款变压整流器，并进行了仿真验证，仿真结果表明，设计的变压整流器性能良好。验证了设计的合理性，为对飞机变压整流器的进一步研究奠定了基础。
【参考文献】
[1]严仰光.航空航天器供电系统[M].北京：航空工业出版社.
[2]李传琦，盛义发.电子电力技术计算机仿真实验[M].北京：电子工业出版社.
变频电源范文4
变频器过电压主要是指其中间直流回路过电压，中间直流回路过电压主要危害在于：（1）引起电动机磁路饱和。对于电动机来说，电压主过高必然使电机铁芯磁通增加，可能导致磁路饱和，励磁电流过大，从面引起电机温升过高；（2）损害电动机绝缘。中间直流回路电压升高后，变频器输出电压的脉冲幅度过大，对电机绝缘寿命有很大的影响；（3）对中间直流回路滤波电容器寿命有直接影响，严重时会引起电容器爆裂。因而变频器厂家一般将中间直流回路过电压值限定在DC800V左右，一旦其电压超过限定值，变频器将按限定要求跳闸保护。
二、产生变频器过电压的原因
1.过电压的原因
一般能引起中间直流回路过电压的原因主要来自以下两个方面：
（1）来自电源输入侧的过电压
通常情况下的电源电压为380V，允许误差为-5%-+10%，经三相桥式全波整流后中间直流的峰值为591V，个别情况下电源线电压达到450V，其峰值电压也只有636V，并不算很高，一般电源电压不会使变频器因过电压跳闸。电源输入侧的过电压主要是指电源侧的冲击过电压，如雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压等，主要特点是电压变化率dv/dt和幅值都很大。
（2）来自负载侧的过电压
主要是指由于某种原因使电动机处于再生发电状态时，即电机处于实际转速比变频频率决定的同步转速高的状态，负载的传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的6个续流二极管回馈到变频器的中间直流回路中。此时的逆变器处于整流状态，如果变频器中没采取消耗这些能量的措施，这些能量将会导致中间直流回路的电容器的电压上升。达到限值即行跳闸。
2.从变频器负载侧可能引起过电压的情况及主要原因
从变频器负载侧可能引起过电压的情况及主要原因如下：
（1）变频器减速时间参数设定相对较小及未使用变频器减速过电压自处理功能。当变频器拖动大惯性负载时，其减速时间设定的比较小，在减速过程中，变频器输出频率下降的速度比较快，而负载惯性比较大，靠本身阻力减速比较慢，使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高，电动机处于发电状态，而变频器没有能量处理单元或其作用有限，因而导致变频器中间直流回路电压升高，超出保护值，就会出现过电压跳闸故障。
大多数变频器为了避免跳闸，专门设置了减速过电压的自处理功能，如果在减速过程中，直流电压超过了设定的电压上限值，变频器的输出频率将不再下降，暂缓减速，待直流电压下降到设定值以下后再继续减速。如果减速时间设定不合适，又没有利用减速过电压的自处理功能，就可能出现此类故障。
（2）工艺要求在限定时间内减速至规定频率或停止运行。工艺流程限定了负载的减速时间，合理设定相关参数也不能减缓这一故障，系统也没有采取处理多余能量的措施，必然会引发过压跳闸故障。
（3）当电动机所传动的位能负载下放时，电动机将处于再生发电制动状态。位能负载下降过快，过多回馈能量超过中间直流回路及其能量处理单元的承受能力，过电压故障也会发生。
（4）变频器负载突降。变频器负载突降会使负载的转速明显上升，使负载电机进入再生发电状态，从负载侧向变频器中间直流回路回馈能量，短时间内能量的集中回馈，可能会中间直流回路及其能量处理单元的承受能力引发过电压故障。
（5）多个电机拖动同一个负载时，也可能出现这一故障，主要由于没有负荷分配引起的。以两台电动机拖动一个负载为例，当一台电动机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时，则转速高的电动机相当于原动机，转速低的处于发电状态，引起了过电压故障。处理时需加负荷分配控制。可以把变频器输出特性曲线调节的软一些。
（6）变频器中间直流回路电容容量下降
变频器在运行多年后，中间直流回路电容容量下降将不可避免，中间直流回路对直流电压的调节程度减弱，在工艺状况和设定参数未曾改变的情况下，发生变频器过电压跳闸几率会增大，这时需要对中间直流回路电容器容量下降情况进行检查。
三、过电压故障处理对策
对于过电压故障的处理，关键一是中间直流回路多余能量如何及时处理；二是如何避免或减少多余能量向中间直流回路馈送，使其过电压的程度限定在允许的限值之内。下面是主要的对策。
1.在电源输入侧增加吸收装置，减少过电压因素
对于电源输入侧有冲击过电压、雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压可能发生的情况下，可以采用在输入侧并联浪涌吸收装置或串联电抗器等方法加以解决。
2.从变频器已设定的参数中寻找解决办法
在变频器可设定的参数中主要有两点：是减速时间参数和变频器减速过电压自处理功能。在工艺流程中如不限定负载减速时间时，变频器减速时间参数的设定不要太短，而使得负载动能释放的太快，该参数的设定要以不引起中间回路过电压为限，特别要注意负载惯性较大时该参数的设定。如果工艺流程对负载减速时间有限制，而在限定时间内变频器出现过电压跳闸现象，就要设定变频器失速自整定功能或先设定变频器不过压情况下可减至的频率值，暂缓后减速至零，减缓频率减少的速度。
3.通过控制系统功能优势解决变频器过电压问题
在很多工艺流程中，变频器的减速和负载的突降是受控制系统支配的，可以利用控制系统的一些功能，在变频器的减速和负载的突降前进行控制，减少过多的能量馈入变频器中间直流回路。如对于规律性减速过电压故障，可将变频器输入侧的不可控整流桥换成半可控或全控整流桥，在减速前将中间直流电压控制在允许的较低值，相对加大中间直流回路承受馈入能量的能力，避免产生过电压故障。而对于规律性负载突降过电压故障，可利用控制系统如SIEMENS的PLC系统的控制功能，在负载突降前，将变频器的频率作适当提升，减少负载侧过多的能量馈入中间直流回路，以减少其引起的过电压故障。
4.采用增加泄放电阻的方法
一般小于7.5kW的变频器在出厂时内部中间直流回路均装有控制单元和泄放电阻，大于7.5kW的变频器需根据实际情况外加控制单元和泄放电阻，为中间直流回路多余能量释放提供通道，是一种常用的泄放能量的方法。其不足之处是能耗高，可能出现频繁投切或长时间投运，致使电阻温度升高、设备损坏。
5.在输入侧增加逆变电路的方法
处理变频器中间直流回路能量最好的方法就是在输入侧增加逆变电路，可以将多余的能量回馈给电网。但逆变桥价格昂贵，技术要求复杂，不是较经济的方法。这样在实际中就限制了它的应用，只有在较高级的场合才使用。
6.采用在中间直流回路上增加适当电容的方法中间直流回路电容对其电压稳定、提高回路承受过电压的能力起着非常重要的作用。适当增大回路的电容量或及时更换运行时间过长且容量下降的电容器是解决变频器过电压的有效方法。这里还包括在设计阶段选用较大容量的变频器的方法，是以增大变频器容量的方法来换取过电压能力的提高。
7.在条件允许的情况下适当降低工频电源电压
目前变频器电源侧一般采用不可控整流桥，电源电压高，中间直流回路电压也高，电源电压为380V、400V、450V时，直流回路电压分别为537V、565V、636V。有的变频器距离变压器很近，变频器输入电压高达400V以上，对变频器中间直流回路承受过电压能力影响很大，在这种情况下，如果条件允许可以将变压器的分接开关放置在低压档，通过适当降低电源电压的方式，达到相对提高变频器过电压能力的目的。
8.多台变频器共用直流母线的方法
至少两台同时运行的变频器共用直流母线可以很好的解决变频器中间直流回路过电压问题，因为任何一台变频器从直流母线上取用的电流一般均大于同时间从外部馈入的多余电流，这样就可以基本上保持共用直流母线的电压。使用共用直流母线存在的最大的问题应是共用直流母线保护上的问题，在利用共用直流母线解决过电压的问题时应注意这一点。
变频器中间直流过电压故障是变频器的一个弱点，关键是要分清原因，结合变频器本身参数、控制系统状况和工艺流程等情况，才能制定相应的对策，只要认真对待，该过电压故障是不难解决的。
变频电源范文5
绕组计算对于进行方波转换的高频变压器，其基本设计公式为［4］（式略）式中:N1为变压器原边绕组匝数(T);V1为施加在该绕组上的电压幅值，这里指输入电压，V1=27V;B为工作磁通密度，B=3400GS;SC为磁心有效截面积，SC取0．42cm2;f为高频变压器工作频率，f=80×103Hz。由式(1)得N1≈5．9T，取N1为6匝（式略）式中:N2为变压器副边绕组匝数(T);V2为变压器副边绕组输出电压，V2=1250V。由式(2)得N2=277．8T，取N2为278匝。导线线径计算集肤效应的考虑导线中通过交变电流时会产生集肤效应。由于电流的集肤效应，使导线有效截面积减少，因而导线在交流电作用时的实际电阻将比它在直流电作用时要大［5］。显然，交变的频率越高，电阻增大也越多。本电路工作频率是80kHz，在选择电流密度和导线线径时必须考虑集肤效应引起的有效截面积的减少。导线通有高频交变电流时有效截面积的减少可以用穿透深度Δ来表示。Δ是交变电流沿导线表面开始能达到的径向深度，它所具有的横断面积即为导线的有效截面［6］。Δ随电流的交变频率f、导线的导磁率μ以及电导率γ的不同而异，有下述关系（式略）显然，在选用高频变压器原副边绕组导线线径时应遵循小于两倍穿透深度。当使用的导线线径大于由穿透深度决定的数值时，应知由于集肤效应引起的电阻的增加，以便计算线路压降和温升。导线在交变电流下的电阻RAC和直流电阻RDC的比值用Kr来记，有（式略）式中:Kr称为趋表系数［8］。Kr值的大小不仅与交变电流的频率有关，而且还与材料的性质、导线的形状等有关，要精确地计算颇难，在实际应用时通常利用现成的曲线图表查得。初级线圈线径计算变压器最大输出功率P0=4W，η=85%，则流过（式略）
绕组的绕制要求
高频变压器绕制时需要特别注意漏感带来的影响。漏感将会引起关断电压尖峰，虽然可以用RC吸收网络加以抑制，但最根本的办法还是在选择磁芯和绕组绕制时尽可能地减小漏感。无论何种磁芯形状都应使原副绕组尽可能紧密耦合。对于环形磁芯结构，不管原副边绕组匝数多少均应沿磁环圆周均匀地分布。
变压器的屏蔽
处理屏蔽有3类，即电磁屏蔽、静电屏蔽和磁屏蔽。电磁屏蔽主要是防止高频电场的影响，利用电磁场在金属导体内部产生涡流从而起屏蔽作用，因此来自空间的辐射干扰将受到电磁屏蔽的保护。如果将电磁屏蔽接地，则兼有静电屏蔽的功能。静电屏蔽是切断相邻导体之间的静电耦合，并且通过分布电容和适当的接地点(或某个对地有固定电位差的授位点)，为干扰提供一个旁路通道。磁屏蔽防止磁耦合，用高导磁率材料将需要屏蔽的地方包起来，以便将磁力线限定在磁阻小的磁屏蔽导体内部，防止扩散到外部去，或者避免外部漏磁闯进来。变压器的安装位置及屏蔽方法，对电路的设计至关重要。一个变压器如不设磁屏蔽，则漏磁不可避免地要和周围电磁元件发生交连。漏磁在X方向上最显著，Y方向上最少，。又因漏磁影响与距离平方成反比，所以仔细选择变压器的安装位置对改善漏磁干扰有一定效果。磁屏蔽材料必须具有一定的厚度，否则磁屏蔽不可能彻底［10］。在多种变压器的安装方式中选择两种典型的方式进行测试对比(两种电源的原理及所用器件一致)。Ⅰ型高压电源的输入插座置于变压器的X方向上，且距离较近，变压器未加屏蔽。Ⅱ型高压电源的输入插座距离变压器较远，不在变压器X方向上，且变压器加屏蔽板，屏蔽板厚度为0．5mm，材料为铜。输入插座为高压电源提供两路输入电压:一路为控制芯片的工作电压;另一路为变压器的供电电源，都为+27V。Ⅰ型高压电源测试结果芯片工作电源纹波Vp-p=3．6V，工作电源已受到变压器的干扰，频率与变压器工作频率相同。在芯片工作电源处增加滤波电容，纹波仍然，且未减小。输出电压纹波杂乱且不稳定，长时间通电，纹波还会增大。为减小纹波在控制电路及反馈电路中增加滤波电容，但效果不明显，没有改观。Ⅱ型高压电源测试结果芯片工作电源纹波Vp-p=560mV，波形如图7所示。纹波只是电源自身及测试线造成的纹波，变压器对电源测试结果分析从测试结果可看出:Ⅰ型高压电源+27V工作电源受到一个固定的尖脉冲干扰，这个固定尖脉冲的周期与变压器的工作周期相同，即便增加滤波电容也无明显改善，并由此导致板极电压的纹波大。由此可见输入电压插座在变压器X方向，且变压器未加屏蔽时对输入电压的干扰严重，这种干扰很难减弱，并会影响整个电路的正常工作。而Ⅱ型高压电源+27V工作电源的纹波是由电源自身及测试线引起，幅值很低，对输出没有造成影响。改变输入插座的安装位置，使其远离变压器，并对变压器进行很好的屏蔽处理，可将变压器的干扰减少到最小。
变频电源范文6
（西门子（中国）有限公司上海分公司，上海 200082）
摘要：对变频电机轴电流产生的原理进行分析，为减少轴电流的危害，提出了多种应对措施。
关键词 ：变频电机；轴电压；轴电流；轴承；绝缘；电磁兼容
0引言
随着变频技术的广泛运用，因轴电流而造成的电机轴承损坏或者轴承使用寿命缩短的现象已不容忽视。特别是对于大中型变频电机，在电机设计和安装时必须考虑如何减少轴电流的产生。
1逆变供电产生的电机轴电压、轴电流原理分析
电机运行时，转轴两端之间或轴承之间产生的电位差叫做轴电压，若轴两端通过电机机座等构成回路，则轴电压形成了轴电流。轴电压是伴随着电机旋转产生，一般工频电机轴电压产生的原因包括磁路不平衡、静电感应、电容电流等。在正弦波工频电网供电时，正常情况下转轴两端电位差很小，对电机的影响可以忽略。
目前广泛应用的变频电机大都采用PWM逆变器供电，这时电机的轴电压主要是由于电源三相输出电压的矢量和不为0的零序分量产生。变频器PWM脉宽调制导致调速驱动系统中高频谐波成分增多，这些谐波分量在转轴、定子绕组和电缆等部分产生电磁感应，电机内分布电容的电压耦合作用构成系统共模回路，这种共模回路电压以高频振荡并与转子容性耦合产生转轴对地的脉冲电压，该电压将在系统中产生零序电流，电机轴承则是这个零序回路的一部分。轴电流是轴电压通过电机轴、轴承、定子机座或辅助装置构成闭合回路产生的。为了能够清晰地描述轴电流产生的原因，可参考图1所示电机内部电容分布示意框图和等效电路图。
1.1变频电机轴电压和轴电流的限值
1.1.1轴电压的限值
所有电机运转时或多或少都会产生轴电压，电机所容许的轴电压或轴电流与很多因素有关。轴电压的精确限值几乎不能确定，因为轴承工况还有油膜对比度影响很大。西门子对轴电压有以下限制值要求：
Ushaft（RMS）≤350 mV
Ushaft（peak）≤700 mV
电机轴电压在电机驱动端与非驱动端两端测量，如图2所示。因为轴电压是高频脉冲电压，所以普通的工频表无法准确测量，需要采用响应频率高的表。如果测量出的轴电压高于以上限制值，那么就必须采取相应措施来减小轴电流对电机轴承的危害。
1.1.2轴电流的限值
为判断轴电流大小是否已经影响了电机轴承寿命，可对轴电流的限值按以下两种方式确定。
（1） 按照经验粗略估算：
轴电流的大小对滑动轴承和滚动轴承的影响略有不同。对滑动轴承而言，若轴电流小于10 A，基本无烧蚀；当轴电流值为10～40 A时，则只能维持运转3 000～12 000 h。对滚动轴承而言，由于滚珠（滚柱）与轴承内外圈滚道的接触面积小，对轴电流的敏感性比滑动轴承更大，轴电流给滚动轴承造成的损伤更厉害。当轴电流大于2 A时，几小时内即可损伤；若轴电流达1～1.4 A，轴承只能持续运转200～700 h；只有在轴电流小于1 A时，滚动轴承才能持续运行。
（2） 根据实际轴承尺寸及参数，按照轴承电流密度计算：
美国学者Busse在文献中给出了轴承电气寿命Le的估计公式：Le=7 867 204×10-217Jb，其中：
Jb=Ib/Sb
式中，Jb为轴承的电流密度（A/mm2）；Ib为轴电流（A）；Sb为轴承滚珠（柱）与滚道的接触面积（mm2）。
研究表明，当轴承的电流密度Jb＜0.56 A/mm2时，Le远大于轴承的机械寿命，轴承电流不会对轴承的运行可靠性带来显著的影响；当Jb=0.8 A/mm2时，Le与轴承的机械寿命相当，此时轴电流的影响就不能忽略了。
1.2轴电流分类
（1） 环流（the Circular Current）；
（2） 静电放电电流（the Electrostatic Discharge Machining Current）；
（3） 转子轴电流（the Rotor Shaft Current）。
驱动系统中存在的以上3种轴电流如图3所示。
1.2.1环流（the Circular Current）
电机定子相对外壳电容Cwh的极性会因为逆变器IGBT每次的通断改变，同样电机电缆对地电容和相间电容的极性也会不断改变，这样就会在定子和电机外壳之间以及定子和接地端之间产生高频容性漏电流。由于电机磁路不平衡，该漏电流会感应出高频轴电压VShaft。如果电机轴承的油膜绝缘性不能克服感应出的轴电压，那么就会沿着电机轴非驱动端轴承电机外壳驱动端轴承电机轴产生容性环流。因此环电流会经过一个轴承从转子轴流向电机外壳，再经过另一个轴承从外壳流回到转子轴。环流的大小很大程度上取决于
定子绕组和电机外壳容性的大小，它会随着电机轴高度的增加而增大，当电机轴高超过225 mm时，因环流而产生的轴电流会明显增加。
1.2.2静电放电电流（the Electrostatic Discharge Machining Current）
电机在运转过程中，三相绕组对地电压在每次电压突变时都会通过电机定子绕组相对转子之间的电容Cwr给轴承相对外壳之间的电容Cb充电。轴和轴承之间的轴承电压时间特性是绕组三相对地电压相互叠加的结果。电压的幅值随轴承分压比BVR（Bearing Voltage Ratio）的增大而减小，轴承分压比根据以下公式计算：
从以上公式可以得出，轴承电压VBearing等于三相绕组对地电压叠加值乘以轴承分压比。对于标准电机，这个电压值一般是绕组相对地电压平均值的5%。最坏的情况下，轴承电压能达到一个相当高的值，其足以破坏轴承滚珠和轴瓦之间的油模，轴承相对电机外壳之间的电容Cb和电机转子相对电机外壳之间的电容Crh会通过瞬间的高电流脉冲放电，这种电流脉冲就是静电放电电流。
1.2.3转子轴电流（the Rotor Shaft Current）
为了形成环流，流经定子绕组和转子之间电容Cwr的高频容性漏电流必然要通过电机外壳流回到逆变器。如果电机外壳接地不好，由于高频电流和高频漏电流的存在，在电机外壳上就会形成较高的对地电压VHousing。如果联轴器、齿轮箱和驱动设备等又接地状况良好，那么高频电流就会向着阻值低的方向流动：电机外壳电机轴承电机轴联轴器齿轮箱驱动设备接地系统逆变器。如果电流沿着这一路线流过了上述设备，那么就不仅仅只有电机轴承有损坏的风险，齿轮箱和驱动设备的轴承也极有可能被轴电流损坏。
2减小轴电流的措施
考虑到轴电流由很多因素造成，那么就必须采取一系列的措施才能有效减小轴电流。通常有以下几种措施：
（1） 按照EMC电磁兼容性要求安装；
（2） 电机驱动端采用绝缘轴承；
（3） 采用绝缘性联轴器；
（4） 驱动端安装接地碳刷；
（5） 采用输出电抗器或输出滤波器。
2.1按照EMC电磁兼容性要求安装
等电位安装传动系统相关设备，保证变压器、变频器、电机、齿轮箱及传动设备保护接地点电位相等。高频电流始终存在于变频驱动系统中，但正确的电气安装能减小变频驱动系统中高频电流产生的压降，从而减小轴电流。图4是一个典型完整的传动系统等电位接地系统示意图。
驱动系统保护接地（图4中［0］）：所有传动系统相关电气设备以及机械设备外壳必须接地。必须采用标准的PE电缆接地，电缆不必具有高频特性。
变频器内部接地（图4中［1］）：变频器是产生高频电流的源头，变频器金属外壳与PE排以及与EMC屏蔽排之间的高频电流，是造成轴电流的直接因素，因此，变频器内部的接地是否良好至关重要。采用的接地电缆必须具有高频特性，电缆截面积不能小于95 mm2，连接长度必须尽可能短。
电机电缆（图4中［2］）：对于功率较高的传动系统，电机电缆必须采用具有高频特性的屏蔽电缆。为了尽可能抑制高频谐波对电机产生的影响，推荐使用对称电缆（Symmetrical Cable）。图5所示的两种电缆均为对称电缆。对于变频驱动系统，常用第一种对称电缆。图6所示为非对称电缆，一般不推荐使用在较高功率的传动系统中。
另外，在安装屏蔽电缆时，要尽可能使用图7所示安装方法：使用金属夹将电缆屏蔽层安装在TE排上，这样能有效增大屏蔽层接地面积。
驱动设备与电机外壳连接（图4中［3］［4］［5］）：电机主接线箱与电机外壳必须使用高频电缆连接。如果齿轮箱、传动设备与电机之间没有有效的等电位安装，齿轮箱与电机外壳之间、传动设备与电机外壳之间分别需要有电缆连接。
变频器PE排与接地网连接（图4中［6］）：连接电缆必须使用高频电缆，且导线截面积需要大于95 mm2。
2.2电机驱动端采用绝缘轴承
如果驱动系统满足了EMC电磁兼容性安装要求，就能很大程度上抑制电机轴对地的电流。另外，如果电机非驱动端采用绝缘轴承，那么从电机轴非驱动端轴承电机外壳驱动端轴承再到电机轴这一回路上的阻抗就会显著增大，从而流过轴承的电流就会相应减小。
当电机非驱动端安装有编码器时，为了阻止轴电流从非驱动端轴上流向电机外壳或地，编码器轴必须绝缘安装。
2.3采用绝缘性联轴器
如图8所示，当驱动端和非驱动端都采用绝缘轴承时，非驱动端可以安装轴接地的编码器或专门的轴接地装置，驱动端必须采用绝缘联轴器。
2.4驱动端安装接地碳刷
如图9所示，当驱动端和非驱动端都采用绝缘轴承时，如果非驱动端没有安装轴接地装置，可以在驱动端安装轴接地碳刷，将驱动端轴接地。这种情况下，联轴器可以是非绝缘的。
2.5采用输出电抗器或输出滤波器
一般情况下，符合EMC电磁兼容性要求安装和非驱动端采用绝缘轴承的措施就能有效抑制并维持轴电流在安全值以下。如果是在特别情况下，也可以通过在变频器输出侧增加平波电抗器、共模滤波器或dv/dt滤波器来减小电机电压上升率，抑制高频谐波，减小轴电流。
3结语
通过以上处理，大多电机的轴电流已微乎其微，对电机构不成实质危害。现场实践证明，经过上述方式处理后实际使用效果明显，上述方式对于高压电机轴电流的防范效果尤其好，对保障安全生产具有积极作用。
［
参考文献］
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