1、ICS 29.160.30 K 22 中华人民主K_，飞、和国运圈国家标准G/T 20161-2006/IEC TS 60034-17: 2002 变频器供电的笼型感应电动机应用导则Cage induction motors when fed from converters application guide (IEC TS 60034一17:2002 , Rotating electrical machines-Part 17: Cage induction motors when fed from converters applcation guide, IDT) 2006-03-14发布
2、中华人民共和国国家质量监督检验检茂总局中国国家标准化管理委员A2006-09-01实施GB/T 20 161-2006/IEC TS 60034-17: 2002 目次前言引言.II l 范围2 规范性引用文件3 电动机的特性4 电压和(或)电流的频谱25 附加损耗.2 6 变频器供电运行时的转矩降低.3 7 振荡转矩.3 8 电磁噪声.3 9 绝缘结构的使用寿命.4 10 轴承电流.4 1 最大安全运行转速.6 12 功率因数咱校正. . 6 图1电流型变频器供电，l:，.接法电动机相电流lphase的波形(理想例子) 6 图2脉冲频率fp=30f1电压型变频器供电，l:，.接法电动机线电压
3、ULL的波形(例子)6图3变频器供电对笼型感应电动机(机座号315M，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f1成函数关系的基波电压U1(见第6章)8图5电流型变频器供电时N设计IC411(自循环冷却)笼型感应电动机转矩降低因数与运行频率f1的函数关系(例)8图6电动机端子处允许脉冲电压ULL(包括电压反射波及衰减)的限值与上升时间t.的关系曲线.图7电动机端子处电压上升时间人的定义图8环形磁链、轴电压及其产生的环流lcirc.10 图9共模电路模型及轴承电压Ub，g.10 GBjT 20161-2006jIEC TS 60034-17 :2002 前言本标准等同采用IE
4、CTS 60034-17: 2002(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(SACjTC26)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。I GB/T 20 161-2006/IEC T
5、S 60034-17: 2002 51 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。E GB/T 20 161-2006/IEC TS 60034-17: 2002 变
6、频器供电的笼型感应电动机应用导则1 范围本标准研究造用于JB/T8158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MOSfet)、绝缘栅双极晶体管(lGBTs)、晶闸管、可关断晶闸管(GTO)等。2 规范性引用文件下列文件中的条款
7、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。GB 755-2000旋转电机定额和性能(idtIEC 60034-1:1996) GB/T 1993一1993旋转电机冷却方法GB/T 4772. 1-1999 旋转电机尺寸和输出功率等级第1部分z机座号56400和凸缘号551 080(idt IEC 60072-1 :1 99 1) GB/T 4772.2-1999 旋转电机尺寸和输出功率等级第2部分:机
8、座号355 1000和凸缘号1 1802 360(idt IEC 60072-2: 1990) GB/T 4772. 3-1999 旋转电机尺寸和输出功率等级第3部分:小功率装入式电动机凸缘号BF10 BF50(idt IEC 60072-3: 1994) JB/T 8158一1999电压为690V及以下的单速三相笼型感应电动机的起动性能(idtIEC 60034 12:1995) IEC 60034-1: 1999旋转电机第1部分:定额和性能3 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
9、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okHz 30 kHz) ，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)电压频谱己知时，电动机制造商才能提供
10、合适的电动机等值电路的参数值。GB/T 20 161-2006/IEC TS 60034-17: 2002 4 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、11、13。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。其谐披次数为n=5、7、11、13。电压型变频器使用多种脉冲模式(在频率设溢血圈且且_t模式可能不同)，因此对谐波的影响不
11、可能给出一个综合的、完整的陈述。如欲聋胡明确的陈述，应了解变现革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。脉冲控制变频器口在相当高的频段，由此式主要考虑内的电动机在有效5附加损耗耗。附加铁耗取决于换流损耗。转子绕组中的附加损向远远(槽形电压型变频器供电时，电动机的漏抗是5-2000范围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军军穹责载无关;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
12、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315M，见GB/T4772. 1-1999;N设计，见JB/T8158-1999)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G/T 20 161-2006/IEC TS 60034-17: 2002 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
13、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。如果已知变频器吉县斟监组建与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7 振荡转矩频率时电动机转矩降低因数典型值为0.8到1.0。通常，实际上变频器的其后果导致产生附加的电动机在额定频串血、压供电时的磁通一样。器i频变此二有白内影矩的转(弱磁范围)
14、。一旦阳中11/1 N= 1. 0以图5给出了一的相应曲线形状与矩特性如图5却)，不可能给出适内)供电的电动机需变小。地计算临界扭振速度，特别是对那些仅有轻微阻尼自在脉冲控制变频器的驱动系统中，最有影响的振荡转矩的频率取决于脉冲频率，而它们的幅值取决于脉冲宽度。目前的变频器其脉冲频率通常超过基波频率10倍，其振荡转矩的幅值可高达15%。如用更高的脉冲频率(21X 11数量级)，并采用适当的脉冲模式(例如正弦基准披调制或空间一相量调制)，频率为6X11和12X11的振荡转矩实际上可以忽略不计。此外，还将产生二倍脉冲频率的振荡转矩。但这些转矩因其频率远高于系统的临界机械频率，对驱动系统并不会形成损
15、害性的作用。8 电磁噪声由于谐波的存在电动机电磁噪声的激励机理变得比正弦电源供电时更为复杂。对变频器供电的笼3 G/T 20161-2006/IEC TS 60034-17 :2002 型感应电动机在运行时所产生的电磁噪声目前还不能事先作出可靠的计算，特别是在调速范围内的某些运行点可能会发生谐振现象。当电动机由电流型变频器供电时，各次谐波电流引发了相应的附加电磁噪声。各次谐波的幅值与其次数成反比。产生噪声的激振力的频率偏离电动机定子有效部分的固有频率。因而当电动机在恒定磁通和恒定电流状态下运行时，噪声级的增长处于同一范围之内。变频器的控制器件或电动机的设计对噪声增长的影响很小。与额定电压、额定
16、频率的正弦波电源供电运行相比较，在额定频率以下运行时，依照经验，电动机的A计权噪声级增长量在1dB6 dB之间。该增长量的上限适用于正弦电压供电运行的低噪声电动机。当电动机由电压型变频器供电时，各次谐波电压引发了相应的附加电磁噪声，其频率接近变频器的脉冲频率或其倍数，也可能靠近电动机定子有效部分的固有频率。噪声激振力的幅值随着变频器控制方式而变化，当变频器的脉冲频率不变时，在频谱中将出现很高的尖峰脉冲，相反，当脉冲模式为在线控制时，实际上频谱中看不到尖峰脉冲。因此，与额定电压、额定频率的正弦波电源供电运行时相比较，电动机的A计权噪声级的增长要比电流型变频器供电时更大，依照经验，在恒定磁通的情况
17、下增长量可达到1dB15 dB。9 绝缘结构的使用寿命与正弦波电流和电压供电相比，变频器供电时电动机的绝缘结构要承受更高的介电应力。在电流型变频器供电的情况下，在换流期间有尖峰电压作用于主绝缘和匣间绝缘上。电压型变频器供电时，作用在臣间绝缘上的电压梯度是重要的，特别是对接近电源引人处的线圈。绕组绝缘承受的介电应力取决于变频器所产生的峰值电压、脉冲上升时间和频率、变频器和电动机之间连接线的特性和长度、绕组结构以及其他系统参数。特别是绕组各部分对地电压可作为评价的重要依据。漆包圆线散嵌绕组的电动机作为典型要承受施加于端子处如图6所示的脉冲电压而不至于显著地降低寿命。快速开关型逆变器与连接电缆的组合
18、因传输线路的影响将产生峰值电压。对额定电压小于或等于交流500V的电动机，当承受如图6所示的峰值电压时，作为典型其绝缘结构应具有满意的寿命。由快速开关型逆变器供电的额定电压为交流500V690 V的电动机，需要采用加强的绝缘结构和/或需要用作限制峰值电压和/或脉冲上升时间的滤波器。术语上升时间按下述定义(见图7)，该定义计及了绕组内的瞬变现象:电压范围t，u是指电压脉冲出现前和出现后电压瞬时值的差，该电压脉冲在电压到达其第一个最大值的瞬间即告结束。上升时间人的定义是:电压从整个电压范围t，u的10%上升到90%时的时间间隔。鉴于复杂的内在关系，建议精心设计整体驱动系统，有时还需要在变频器的输出
19、端使用滤波器。10 轴承电流4 变频器运行时，轴承电流是由两种不同的电压引起的。-一一轴电压轴电压是由于定子辄部环路磁通引起的在由轴、轴承、端盖和机座(见图的组成的闭合导电回路中产生的电压。定子辄部不对称(如有扣片槽，通风道，迭片的各向异性)会产生环路磁通。环路磁通会被定子电流零序分量(称作共模电流)加大，零序电流的大小取决于电动机的接地GB/T 20 161-2006/IEC TS 60034-17: 2002 系统。电流尖峰出现在每个半导体元件的开关瞬间。通常每个脉冲频率周期产生6次电流尖峰。一-轴承电压轴承电压是存在于轴承径向间隙间由电容糯合产生的电压(图9所示)。由定子绕组平均电位与接
20、地定子铁心之间的交变电位差引起(称作共模电压)，这个电位差是PWM控制方式的变频器所固有的。特别地，共模电压由三倍系统频率的分量，三倍变频器输出端基频的分量以及脉冲频率分量组成。其峰值为变频器中间电路直流电压的50%范围之内。轴承电压取决于定子绕组和转子之间、转子和机座之间的电容以及轴承本身的电容，在轴承的径向间隙处可以测量出共模电压的特定百分值。因此，轴承电压的时间特性是共模电压的反映。如欲测量变频器供电时电动机的轴电压或轴承电压，应采用适当的措施，且必须使用特殊仪器和屏蔽测量线，否则因较高频率分量的影响将会得出错误的结果。当电动机以正弦波电压供电运行时，轴承电压实际上为零。如果轴电压没有超
21、过约500mV(峰值)，根据长期的经验无需采取防护措施。当轴电压超过约500mV(峰值)，有可能在前述环路中产生环流，在相对短的时间内损伤轴承。使一个轴承绝缘，最好是非轴伸端轴承，这样就足以避免通过两个轴承以及还可能通过负载机械的轴承产生环路电流。对本标准范围内按当前技术制造且由正弦波电压供电运行的电动机，轴承加绝缘既不必要也无此惯例。由电流型变频器(方波变频器)供电运行时，电动机不存在轴承电压。因供电电压/电流谐波的影响轴电压稍有增加。如同正弦波电压供电一样，轴电压的上限值推荐约为500mV(峰值)。由电压型变频器供电运行时，电动机会同时出现轴电压和轴承电压。变化率高的轴承电压会产生电容性轴
22、承电流(称作出/dt电流)。此外，如轴承电压超过其击穿值还会出现短时的放电电流(称作EDM1)电流)。放电电流的重复率随着轴承电压数值和脉冲频率的增长而增加。由轴承电压引起的这两种电流按上述电容通路并沿电动机的接地系统流过，但并不串联流过两个轴承。轴电压与脉冲频率、脉冲上升时间以及电动机的定额有关，它含有可能超过10V的高频尖峰，将会击穿轴承的油膜。但基波频率分量产生电动势，因此在环流电流的频谱中主要包含基波和三次谐波。即使其幅值小于500mV(峰值)，基波频率分量仍可能维持环流不断。从避免因变频器供电产生环流电流考虑，正弦波电压供电时电动机具有低轴电压仍是有利的。依照测量结果，轴承电压典型值
23、在10V-30 V(峰值)范围之内，目前尚不能掌握环流电流与轴承电压之间的内在联系。经验表明:a) 本标准范围内的以及机座号315及以下的电动机因变频供电而损伤轴承的现象很少。但轴承承受的介电应力随变频器控制方式的不同而变化的范围很大。然而，如用输出电压大于400 V(有效值)、脉冲频率高于10kHz的变频器供电，应考虑对轴承加以绝缘。b) 对在本标准范围内的以及机座号为315以上的电动机，建议:1) 使用带降低相电压零序分量(称作共模电压)掳波器的变频器;2) 或降低电压的du/dt值;3) 或将电动机轴承加以绝缘。c) 对于球轴承的绝缘可采用相同尺寸的绝缘轴承来实现。几乎不需要将电动机的两
24、个轴承同时加以绝缘。在某种情况下，建议请专家审核整个驱动系统，它包括负载机械(联轴器的绝缘)以及接地系统(可能使用接地电刷)。1) EDM= Electrostatic Discharge Machining(静电放电加工)。5 GB/T 20161一2006/IECTS 60034-17: 2002 11 最大安全运行转速如电动机欲以高于其额定转速运行，则最大安全运行转速可从IEC60034-1: 1999的8.5中得到。电动机可以在较高转速下运行，但这种可能性取决于电动机的设计，制造商应对其进行验证。当电动机高于额定转速运行时，电机的噪声级和振动级都将增大，可以要求作精确的动平衡以适应高于
25、额定转速运行。电动机在接近最大安全转速下运行时间过长，可能会显著地缩短轴承的使用寿命，此外，也会对轴封和/或加油脂的时间间隔(或密封轴承的润滑12 功率因数的校正特殊应用场合，必须对电动过励、谐波谐振和电容器冉.ULL 60. 一分析，以避免电动机t 360. t 圄.2脉冲频率fp=30f，电压型变频器供电，6.接法电动机线电压ULL的波形(例子)6 0-2% 正弦波电压电流型变频器/ 寸/ L100% 125% 95. 3% 94.2% 由谐波产生的损耗J一换流损耗I一附加损耗H一铁耗G一转子绕组损耗F一定子绕组损耗GB/T 20 161-2006/IEC TS 60034-17: 200
26、2 1-1% 1 - O. 5% H-1% 0-2% F-3% F- O. 5% 飞._0-2% 0-2% 具有最佳脉冲模式的电压型变频楼(脉lI频率臼3世lz)门施加量的时变值mLJ 115% 损耗94.6% 效率由基波频率产生的损耗E一摩擦损耗D一杂散损耗C一铁耗B一转子绕组损耗A一定子绕组损耗圈3变频器供电对笼型感应电动机(机座号315M，N设计)在额定转矩和转速时各项损耗的影晌7 G/T 20161-2006/IEC TS 60034-17 :2002 8 U/UN 1. 0 v / / / / 0.8 0.6 0.4 0.2 / 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1. 0 1.
27、 2 1. 4 f/fN 圄4与运行频率11成函数关系的基波电压U1(见第6章)T/TN 1. 0 0.8 0.6 0.4 0.2 。-卢i-卢k 1/ 卜2 4 6 8 1. 0 1. 2 1. 4 f/fN 固5电流型变频器供电时N设计IC411(自循环冷却)笼型感应电动机转短降低因数与运行频率11的函数关系(啻1)GB/T 20161-2006/IEC TS 60034-17 :2002 ULL/V 2 000 1 500 1 000 . 500 。0 .-_，.卢0.2 -阳忡0.4 0.6 0.8 1. 0 1. 2 1. 4 1./s 固6电动机端子处允许脉冲电压ULL(包括电压反
28、射波及衰减)的限值与上升时间儿的关系曲线u u (1，)一T一一100%90% lJ. U=U(I,)-U(IO) 10% U( (0) _t._ 0% 10 t, 固7电动机端子处电压上升时间t.的定义9 GB/T 20161一2006/IECTS 60034-17: 2002 t日)M胃、电的司司之之，士冗士冗容机机流电与与电承子子承轴定转轴GFUG-句10 NOONHhFt寸的00HUM目OON|FSONH阁。华人民共和国家标准变频器供电的笼型感应电动机应用导则GB/T 20161-2006/IEC TS 60034-17 :2002 国中9峰中国标准出版社出版发行北京复兴门外三里河北街16号邮政编码:100045网址电话:6852394668517548 中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷各地新华书店经销峰印张1字数24千字2006年8月第一次印刷开本880X 1230 1/16 2006年8月第一版峙定价12.00元如有印装差错由本社发行中心调换版权专有侵权必究举报电话:(010)68533533书号:155066 1-27831 20161-2006
