变频器驱动异步电机的振动频谱特征探究

变频器驱动异步电机的振动频谱特征探究

王亚峰

中国平煤神马尼龙化工公司电气厂河南平顶山467000

摘要：对电机振动频谱特性的讨论，可得出对电机振动更加有效的抑制算法。对异步电机调速系统及不同运行状态下的电机振动数据进行采集，分别对电机振动特征、变频器载波频率进行了分析。变频器引入的振动谐波转矩使得电机的振动特征更加复杂。因此，对电机振动频谱特征的分析为电机振动抑制算法设计与算法评价提供了基础。

关键词：异步电机；变频器；振动频谱；谐波分析

引言：在工业领域，变频器驱动异步电机的应用实现了交流调速，因此被得到了广泛的应用。普通异步电机采用变频器调速时，会使原本由电磁、机械、通风等因素所引起的振动和噪声变得更加复杂。通过对一种变频器驱动的异步电机振动频谱特征分析，可以为从电机振动特征角度来评价控制器性能、研究电机振动抑制策略及算法提供有效的、针对性强的参考依据。同时，也为此类系统的振动抑制方法提供一种思路。

一、变频器驱动的异步电机谐波分析

1、变频器输出电压谐波的分析

变频器是采用交一直一的交主电路，主要选用电压正弦波脉宽调制的控制方法。其是由整流、中间直流环节、逆变和控制组成。将工频交流电源运用三相桥式不可控整流器转换成直流电源。通过直流环节进行滤波和储能之后，最后受载波信号调制的脉冲电流从逆变输出回路中输出，其可分基波和其他高次谐波两部分。在变频器驱动的异步电机系统中，变频器用双极性调制方法来调制信号。并且变频器主回路输出电压峰值与调制系数m成正比。

2、异步电机谐波的转矩分析

变频器驱动下异步电机的电压谐波会在气隙中产生时间和空间谐波磁势，附加的谐波转矩进而产生。受一些原因和性质不同的影响，这些附加的谐波转矩可分为异步谐波转矩、同步谐波转矩和振荡谐波转矩。

3、异步与同步谐波转矩

异步(或稳定)谐波转矩是由气隙谐波磁通和由他感应出的转子电流谐波相互作用而产生的。异步谐波转矩对电机的影响较小，通常不予考虑。

同步谐波转矩的存在是两个相对独立的且具有相同极数和转向的磁场，当转速达到特定的速度时，磁场在空间上是同步的，并且相对静止。同步谐波转矩就会产生，如果转速有所改变，那么同步谐波转矩就会自动消失。电机的合成转矩就会因同步附加转矩会而发生突变，对于变频器驱动的异步电机，由于软启动特性的存在，所以，在启动过程中不可能会有同步堵转的情况发生。

4、振动谐波转矩

振动谐波转矩是研究附加谐波转矩对电机运行影响问题时的重点。振动谐波转矩又称为谐波脉动电磁转矩，它是由不同次的气隙谐波磁通和转子谐波电流相互作用产生的。振动谐波转矩的平均值为零，因为它的方向为正负各一半。但无论在什么时候，这些振动谐波转矩都会影响电机运行，由转子谐波电流与基波旋转磁通产生的振动谐波转矩影响较大，其中幅值较大的谐波电流与基波电流所产生的磁场互相作用而引起振动谐波转矩。

二、电机振动频谱分析

电机振动抑制算法及相关参数的确定可以用振动频谱特征来作为参考依据。多振动源在其方向上的信号叠加而在电机上形成竖向或横向的振动信号。因此，依据一个方向上的振动信号频谱幅值来检验电机振动抑制算法性能是不够准确的。

用有效值来描述，使振动信号的能量具有稳定性和重复性。所以，运用采集的振动加速度数据绘制频谱图，其幅度采用均方根值，即有效值。用调压器进行调压时，在50Hz有振动峰值出现，该振动峰值主要由工频引起，转速对此振动峰值频率略有影响。部分振动峰值比较明显地集中在200～410Hz频带内，并且振动峰值频率与速度成正比。此外，变频在用变频器控制时，在850Hz以下，频谱特征与调压器调压控制时的频谱特征差不多，只是在振动峰值时有所不同。在1900Hz以后振动幅度提高的更为明显，在3500Hz附近有振动峰值出现，且峰值频率与转速成反比。由于电机振动频谱使用的是电机振动加速度数据，故其频谱幅值会随转速提高而增大。对于旋转系统，其振动信号中某些离散频率分量与主旋转频率有关。为了考察电机振动在0～200Hz频带范围内频率与转速变化的情况，而绘制了转速谱阵图。其可对系统的强迫振动与自由振动有效的区分。频率成分出现在原点处引出的射线上，则为与转速有关的强迫振动。而在固定的频率处的则为自由振动。所以，电机在运用调压器进行调压控制时，不同转速下的强迫振动频率即为一阶转频，并且强度与转速成正比。在50Hz附近的振动峰值特征更加清晰。在调压器进行调压调速时，电机在100Hz处有振幅较小的自由振动，其频率是电网频率的2倍，因此，这个振动可以通过电机的机械振动频谱分析来进行判断。而变频器变频调速时，产生的振动谐波转矩，引起转速的波动以及电机振动，也导致电机振动的频率特征变得十分复杂，由于受变频器谐波的影响，使得由一阶转频引起的强迫振动变得微弱，同时100Hz的自由振动消失，出现在150Hz频率处，且有些变形。这是因为变频器在驱动时，由各次电流时间与电磁空间谐波互相作用而产生的附加谐波转矩或电磁激振力，而导致电机的振动频谱变得更加复杂化。

三、变频器载波频率对电机振动的影响

载波频率及载波比等因素影响变频器输出电流谐波的情况，一般都希望载波频率尽量高些来使获得的正弦波形平滑些，而大功率逆变元件的开关频率限制载波的频率。当下，IGBT三相桥式逆变器应用的比较多，其载波频率可达15kHz之高。通过逆变原理可得出，逆变回路是由IGBT通过正弦脉宽调制SPWM后，产生呈正弦波的电流波形。由于电流波形的质量及干扰程度与载波频率的大小有直接的影响，并且变频器输出二次电流的波形受载波频率的高低影响较为敏感。载波频率与一个周期内脉冲的个数成正比，促使电流波形的平滑性变的更好，也就是说，电流波形更接近正弦。谐波变小了，因此所产生的振动谐波转矩也小了。但是，随着载波频率的增高，也会使变频器自身的损耗增大、IGBT温度上升等不利。而在载波频率降低时，随之电流波形的正弦性也变差。由于电机气隙的高次谐波磁通增加，使振动谐波转矩加大，电机就可能有周期性转速变动发生，噪声也随之变大。伴随载波频率的增加，电机竖向振动幅度与之成反比，有明显的降低。并且高频段的振动峰值频率随载波频率的增加而增大。当载频设置为3kHz时，其振动峰值频率小于3kHz，单开当载波频率提高到15kHz时，其振动峰值频率则增加到3.5kHz左右。在设定载波频率固定的情况下，振动峰值频率随着转速的提高而下降，这种情况是由变频器采用分段同步调制方法引起的。

结语：

对异步电机振动谐波与振动频谱特征进行有效的分析,由于变频器的引入,电机垂直方向的振动峰值明显增大。此外,变频器载波频率与电机垂向振动幅度成反比,而高频段的振动峰值频率与载波频率成正比。因此可得出,在变频器驱动异步电机时,由于振动谐波转矩等因素的影响,使得电机的振动特征变得更加复杂化。对振动频谱特征的有效分析,为电机振动抑制算法在今后的设计及算法评价提供有效的依据。

参考文献：

[1]朱世林.异步电动机谐波转矩分析[J].南昌大学学报(工科版).1988(04)

[2]李伟,韩力.逆变器供电的感应电动机谐波转矩分析与计算[J].微特电机.2005(04)

[3]关慧.变频器驱动下的异步电机设计与分析[D].清华大学2005