GB∕T 20161-2006 变频器供电的笼型感应电动机应用导则.pdf

I C S 2 9.1 6 0.3 0K2 2I中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准GB/T 2 0 1 6 1-2 0 0 6/I E C T S 6 0 0 3 4-1 7:2 0 0 2变频器供电的笼型感应电动机应用导则C a g e i n d u c t i o n mo t o r s w h e n f e d f r o m c o n v e r t e r s a p p l i c a t i o n g u i d e(I E C T S 6 0 0 3 4-1 7:2 0 0 2,R o t a t i n g e l e c t r i c a l ma c h i n e s-P a r t 1 7:C a g e i n d u c t i o n mo t o r s w h e n f e d f r o m c o n v e r t e r s a p p l i c a t i o n g u i d e,I D T)2 0 0 6-0 3-1 4发布2 0 0 6-0 9-0 1 实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会发 布GB/T 2 01 6 1-2 0 0 6/I E C T S 6 0 0 3 4-1 7:2 0 0 2目次前言 I引言 n1 范围 12 规范性引用文件 13 电动机的特性 14 电 压和(或)电流的频谱 25 附加损耗 26 变 频 器 供电 运 行 时 的 转 矩 降 低 “”37 振荡转矩 38 电磁噪声 39 绝缘结构的 使用寿命 41 0 轴承电流 41 1 最大安全运行转速.6，“功 率 因 数 叩 校 正 “二”“”“”“”“图1 电流型变频器供电，接法电 动机相电流i o、的波形(理想例子)6图2 脉冲频率九=3 0 九电压型变频器供电，接法电动机线电 压U L L 的波形(例子)6图3 变频器供电对笼型感应电动机(机座号3 1 5 M,N设计)在额定转矩和转速时各项 损耗的影响 7图4 与运行频率九成函 数关系的 基波电压U,(见第6 章I.8图 5 电流型变频器供电时 N设计 I C 4 1 1(自循环冷却)笼型感应电动机转矩降低因数与 运行频率 f:的函数关系(例).，.8图 6 电动机端子处允许脉冲电压UL L(包括电压反射波及衰减)的限值与上升时间 t。的 关系曲线 9图 7 电动机端子处电压上升时间 t.的定义 9图 8 环形磁链、轴电压及其产生的环流i d.，1 0图9 共模电 路模型 及轴承电压UL.，.1 0GB/T 2 0 1 6 1-2 0 0 6/I E C T S 6 0 0 3 4-1 7:2 0 0 2月i青 本标准等同采用 I E C T S 6 0 0 3 4-1 7:2 0 0 2(变频器供电的笼型感应电动机应用导则(英文版)。本标准由全国旋转电机标准化技术委员会(S AC/T C 2 6)提出并归口。本标准由上海电器科学研究所(集团)有限公司负责起草，佳木斯防爆电机研究所、嘉兴新华年电机有限公司、上海联合电机(集团)有限公司南洋电机厂、浙江金龙电机股份有限公司、山东华力电机股份有限公司、江西特种电机股份有限公司、江苏贝得电机股份有限公司、东莞电机有限公司、山西电机制造有限公司等单位参加起草。本标准主要起草人:李秀英、邱建荣、岑兆奇、叶锦武、张文斌、刘征良、吴冬英、赵迎春、岳维平、杨海龙、蒋曦。GB/T 2 0 1 6 1-2 0 0 6/I EC T S 6 0 0 3 4-1 7:2 0 0 2引言 变频器供电笼型感应电动机驱动系统的工作特性和运行性能受到整体驱动系统的制约，包括供电系统、变频器、感应电动机、机械轴系以及控制装置，其中每一部分的技术类型繁多，本标准引用的一些量值仅为提示性质。驱动系统的设计涉及到一些重要参量，考虑到系统内复杂的技术关联和运行状态的多样性，要对这些参量规定数值或限值已超出了本标准的范围和目的。现实情况是大多数驱动系统是由不同制造厂生产的部件组成的。本标准的目的在于对选用部件的准则以及部件对驱动系统运行性能的影响作出说明并尽可能地定量表示。GB/T 2 0 1 6 1-2 0 0 6/I EC T S 6 0 0 3 4-1 7:2 0 0 2变频器供电的笼型感应电动机应用导则范围 本标准研究适用于J B/T 8 1 5 8 标准范围内的笼型感应电动机由变频器供电时在速度设定范围内的稳态运行，不包括起动或瞬态现象。本标准仅涉及间接型变频器。此类变频器包括带中间回路的外施直流电流的变频器(电流型变频器)和外施直流电压的变频器(电压型变频器)，或为方波型或为脉冲控制型，没有限制脉冲的数量、宽度或脉冲频率。本标准所涉及的变频器可为模拟控制电路，也可为数字控制电路，变频器的电子开关器件可以是任何类型的，如晶体管(双极的或金属氧化物场效应管 MO S f e t)、绝缘栅双极晶体管(I G B T s)、晶闸管、可关断晶闸管(G TO)等。2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注 日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。G B 7 5 5-2 0 0 0 旋转电机定额和性能(i d t I E C 6 0 0 3 4-1:1 9 9 6)G B/T 1 9 9 3-1 9 9 3 旋转电机冷却方法 G B/T 4 7 7 2.1-1 9 9 9 旋转电机尺寸和输出功率等级第 1 部分:机座号 5 6-4 0 0和凸缘号 5 5-I 0 8 0(i d tI E C 6 0 0 7 2-1:1 9 9 1)G B/T 4 7 7 2.2-1 9 9 9 旋转电机尺寸和输出功率等级第 2部分:机座号 3 5 5-1 0 0。和凸缘号1 1 8 0-2 3 6 0(i d t I EC 6 0 0 7 2-2:1 9 9 0)G B/T 4 7 7 2.3-1 9 9 9 旋转电机尺寸和输出功率等级第 3 部分:小功率装人式电动机凸缘号B F1 0-B F 5 0(i d t I E C 6 0 0 7 2-3:1 9 9 4)J B/T 8 1 5 8-1 9 9 9 电压为6 9 0 V及以下的单速三相笼型感应电动机的起动性能(i d t I E C 6 0 0 3 41 2:1 9 9 5)I E C 6 0 0 3 4-1:1 9 9 9 旋转电机 第1 部分:定额和性能电动机 的特性 在换流期间，电流型变频器的输出电流要流过电动机的定子绕组。因此，电动机的等值电路知识对换流电路的设计是重要的。对电压型变频器，电动机的等值电路知识对换流电路的设计通常并不重要，但是电动机的谐波阻抗对因谐波引起的损耗却有重大的影响。上述情况关系到驱动的基本运行能力。如果要求知道变频器供电运行时出现的附加转矩(特别是振荡转矩)和附加损耗的具体细节，则需要知道电动机在整个谐波频谱范围内的等值电路参数。由于N设计笼型感应电动机有多种设计方案(例如铜排深槽转子和双笼铸铝转子)，重要谐波的频率范围很宽(带宽。k Hz-3 0 k Hz)，所以不可能确定一个普遍有效的电动机等值电路。通常不容许采用在工频稳态运行时的等值电路参数(例如正常运行时的漏抗)来计算因谐波引起的转矩和损耗。只有当变频器的输出电流和(或)电压频谱已知时，电动机制造商才能提供合适的电动机等值电路的参数值。GB/T 2 0 1 6 1-2 0 0 6/I E C T S 6 0 0 3 4-1 7;2 0 0 2电压和(或)电流的频谱 为获得转矩的降低额和由谐波引起的振荡转矩，了解电动机电压和(或)电流与正弦电源供电运行时相 比的相对谐波含量是 至关 重要的。图 1 给出了电流型变频器供电时电动机相电流的典型波形。所产生的谐波次数为n=5,7,1 1,1 3。其相应的谐波含量主要取决于换流时间间隔，在不同的驱动系统中该时间间隔是不同的。图2 给出了按同 步脉冲 模式运行时电动机线电压的典型波形。其谐波次数为n=5,7,1 1,1 3 .电压型变频器使用多种脉冲模式(在频率设定范围内脉冲模式可能不同)，因此对谐波的影响不可能给出一个综合的、完整的陈述。如欲得到明确的陈述，应了解变频器输出电压的谐波含量，并且一定要研究其对电动机产生的后果。异步脉冲模式，这种模式在很多场合被应用，将产生附加的摆动频率:f=n X几 士 二 X f,式中:二 一。,1,2,3-;，一1,2,3，分别为 脉冲频率几和基波频率关的相乘系数。另外还有一些控制线路不使用确定的脉冲频率。脉冲控制变频器可使其低频谐波含量降得很低，而其占主导地位的谐波(接近于脉冲频率)将出现在相当高的频段，由于电动机绕组的电感作用使这些谐波不会有多大的影响。在G B 7 5 5-2 0 0 0 的6.2.1 中，笼型感应电动机的抗干扰能力表示为一个数值，称为谐波电压因数:H V F 一 丫 E(韧 此式主要考虑了谐波对绕组温升的影响，但是此因数对变频器供电并无用处。G B 7 5 5-2 0 0。范围内的电动机在有效部分的设计上差别相当大，应由电动机制造商确定各 自 适用的降低因数。附加损耗 变频器供电时笼型感应电动机中的电压和电流谐波将在电机中产生附加铁耗和定转子绕组附加损耗。附加铁耗取决于相电压谐波的幅值和频率，尤其是取决于谐波的频率。这些与负载无关的附加铁耗在由电压型变频器供电的电动机中是重要的，而在电流型变频器供电时几乎可忽略不计。另一种铁耗，即所谓的换流损耗，只在由电流型变频器供电运行时存在。换流期间漏磁通的快速变化在定转子齿部产生了涡流。在由电压型变频器供电运行时，因换流电流不流过电动机绕组，所以没有换流损耗。转子绕组中的附加损耗与转子设计(槽形的几何形状)有关，对具有显著挤流效应的转子特别敏感。电压型变频器供电时，电动机的漏抗是最重要的设计特征，因为它限制了与损耗直接相关的谐波电流。由电压型变频器供电时，电动机的转子绕组附加损耗与负载无关;而由电流型变频器供电时，则与负载有关。没有简单的计算方法来计算附加损耗，也没有通用的说明来给定附加损耗的数值。它们依赖于不同的物理量，非常复杂。同时变频器也有多种多样(例如不同脉冲频率和脉冲模式的电流型变频器和电压型变频器)、电动机的设计也各不相同(例如绕组类型、斜槽方式、槽的几何形状)。图 3以一台特定电动机(机座号3 1 5 M，见G B/T 4 7 7 2.1-1 9 9 9,N设计，见J B/T 8 1 5 8-1 9 9 9)由具有不同的谐波含量的不同的变频器供电和正弦电源供电为例子，在各栏内列出了计算求得的损耗组成比例。该例子说明了目前广泛应用的变频器供电系统中各类损耗的相对重要性。所列出的损耗对比不适用于其他变频器供电的笼型感应电动机和其他型式变频器(具有不同的调制方式和脉冲频率)。为便GB/T 2 0 1 6 1-2 0 0 6/I EC T S 6 0 0 3 4-1 7:2 0 0 2于比较，图 3 中假定变频器供电在额定运行状态下的基波电压和基波电流都是相同的。6变频器供电运行时的转矩 降低 电动机由变频器供电在额定频率运行时所产生的转矩通常要比正弦电压供电时的额定转矩低。其降低额与附加损耗引起的温升增高和变频器在电动机额定频率时的输出电压与电动机额定电压之比有关。图 4中的实线指的是变频器使电动机主磁通保持不变时的输出电压和频率的关系曲线，该主磁通与正弦电压供电时相同。如果已知变频器输出的谐波频谱，电动机制造商就能够确定该运行点的电机温升。温升取决于该电动机的设计及其冷却方式(I C O l 或 I C 4 1 1，见 G B/T 1 9 9 3-1 9 9 3)。决定电动机转矩降低因数时重要的是该特定电动机的热裕度。计及这些影响，在额定频率时电动机转矩降低因数典型值