| 变频器供电的笼型感应电动机应用导则
1 范围 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(IGBTs)、晶闸管、可关断晶闸管(GTO)等。 本标准适用于GB/T 21210-2007规定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。 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。 GB 755-2008旋转电机定额和性能(IEC 60034-1:2004，IDT) GB/T 21209-2007变频器供电笼型感应电动机设计和性能导则(IEC 60034-25:2004，IDT) GB/T 21210--2007单速三相笼型感应电动机的起动性能(IEC 60034-12:2002，IDT) 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0 kHz—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。 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，了懈电动机电压的频谱（对电压型变频器）或电动机的电流频谱（对电流型变频器）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…。其相应的谐波含量受换流时间间隔的影响，在不同的驱动系统中该时间间隔是不同的。
图2开关频率ƒN=30׃1电压型变频器供电电动机线电压ULL的波形（例子） 电压型变频器使用多种调制类型，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，一定要知道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． 变频器采用载波调制，即包含了同步和异步脉冲模式，这种模式在很多场合被应用，其产生的频率为： ƒ=kS׃S土k1׃1
式中：kS=1，2，3…; k1=1，2，4，5，7…，分别为开关频率ƒs和运行频率ƒ1的相乘系数。在变频器使用空间矢量调制情况下该公式也有效。 变频器采用载波调制，即没有事先决定开关频率也很常用。在这种情况下，输出电压的频谱是带宽的随机函数，在特定的频段里也没有尖峰噪声。 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GB 755-2008的 5谐波造成的损耗
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。 对电压型变频器供电的电动机，附加铁耗不能忽略，与相电压谐波幅值有关，但几乎与其频率无关。 谐波电流主要产生绕组损耗，受漏抗的限制。虽然谐波电流很小，由于高频时挤流效应，因而绕组损耗不能忽略，这对成型绕组和散嵌绕组都适用。具有显著挤流效应的转子对这些损耗特别敏感。 大量试验证明，由谐波产生的总的附加损耗与负载无关，它们随着开关频率的增加而降低（见图3）。这是由于高脉冲频率下绕组附加损耗减少。
① 一一总的谐波损耗； ②——谐波绕组损耗； ③——谐波铁耗。
图3 电压型变频器供电由谐波频率引起的附加损耗P.与 运行频率，1时损耗Pf，之比随开关频率，|的变化关系的例子 电动机由电流型变频器供电的情况下，除了所谓的换流损耗以外，附加铁耗几乎可以忽略。换流期间漏磁通的快速变化在定转子齿部产生了涡流。在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。 由于低频谐波电流幅值较大，故转子绕组附加损耗起重要作用。 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。它们与不同的物理量有关，非常复杂。同时变频器也多种多样（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、槽的几何形状、硅钢片的比损耗）。铁心的制造质量也起着非常重要的作用。 图4以一台特定电动机（机座号
根据图4看出，电流型变频器比电压型变频器谐波损耗高。在部分负载时差值减少，因为对电压型变频器谐波损耗是恒定的，但对电流型变频器谐波损耗是随着负载的增加而增加。
①——正弦波电压； ④——与时间相关的施加量； ②——电流型变频器； ⑤——损耗； ③——载波调制的电压型变频器 ⑥——效率。 (开关频率为3 kHz)； 图4变频器供电对笼型感应电动机（机座号 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由于温升增加（谐波损耗）通常要比正弦电压供电时的额定转矩低。另外的原因也可能是由于变频器电压的下降。要保持额定转矩可能会减少绝缘的使用寿命。 图5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近似相同。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（IC01或IC411）。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为0.8—1.0。
图5基波电压U1与运行频率ƒ1的关系曲线（见第6章）
通常，实际上变频器的定额运行并不意味着在额定频率时基波磁通与正弦电压供电时的磁通一样。其后果导致产生附加的转矩偏差，这个偏差值取决于它们自身的参数。 电动机在额定频率时的同步转速以下的速度调节范围内，若电动机定子绕组电阻与电抗相比可以忽略，应用Ul/fl=常数的控制规则，则可获得电动机的最大转矩为一恒量。为了补偿电动机定子电阻的影响，有些变频器将特性设计成图5中的虚线所示特性，与没有补偿作用相比，低速时具有较高的转矩。 对于图5中电压和频率标幺值在1．o以上的运行点，变频器输出电压在频率增加时通常保持不变（弱磁范围）。一旦运行在这个范围，电动机的转矩降低因数将会变化使转矩迅速降低，转矩特性如图6中fi/fN=1.0以上范围的特性曲线所示。 图6给出了一台由电流型变频器供电的典型的电动机转矩降低曲线的实例。电压型变频器供电时的相应曲线形状与之类似。如变频器的谐波频谱和电压一频率特性已知，电动机制造商可以提出这样的转矩曲线．因涉及到电动机不同的冷却方式（
图6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ƒ1的关系曲线（例） 7振荡转矩 由谐波产生的异步转矩（稳态）对驱动系统运行的影响较小，但这不适用于振荡转矩，该转矩会在机械系统中产生扭振。 在由6脉冲电流型变频器供电的三相感应电动机中，具有6倍或12倍运行频率(ƒ1)的振荡转矩具有实用价值，该转矩的幅值分别约为额定转矩的15%（频率为6׃1时）和5%（频率为12׃1时）．另外，由于直流中间回路的纹波产生的谐波也会产生振荡转矩，这些转矩的频率为6(ƒ1- ƒp)和12(ƒ1- ƒp)，这里ƒp为主功率频率。应仔细地计算临界扭振速度，特别是对那些仅有轻微阻尼的传动部件的驱动系统。在某些应用场合，跳过一小段运行频率也是不可避免的。 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开关频率，而它们的幅值取决于脉冲宽度。目前的变频器其开关频率通常超过基波频率10倍，其振荡转矩的幅值可高达15%。如用更高的开关频率（大约为21׃1），并采用适当的脉冲模式（例如正弦基准波调制或空间一相量调制），频率为6׃1和12׃1的振荡转矩实际上可以忽略不计。此外，还将产生二倍开关频率的振荡转矩。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害性的作用。 8 电磁噪声 感应电动机的电磁噪声本质上是由于作用在定子表面径向力波产生的。这些所谓的磁场力是气隙中变化的磁场相互作用产生的，是磁场幅值、频率和模态振型的函数。由于幅值很小，只有当这些磁场力的频率和模态振型与定子铁心的固有频率和模态振型一致时才会发生令人讨厌的噪声 正弦波电压供电时，由电机气隙中空间谐波磁场引发电磁噪声。专业设计的目标是避免电动机在额定运行条件下发生共振。但是，由于存在大量各种各样的空间谐波磁场，电动机在较宽广的速度设定范围内恒磁通运行时，在某些特定速度下发生电磁噪声是不可避免，即使供电电压为正弦波也如此。为了避免在有关转速下出现高的电磁噪声，越过这一小段频率范围是常用的方法。 当电动机由变频器供电时上述叙述是有效的。但是，在这种情况下，变频器供电时在原有空间谐波磁场上叠加了时间谐波磁场。值得重视的电磁噪声仅考虑运行频率的气隙基波磁场（极对数为p与各谐波磁场相互作用已足够。因此额外发生的径向力波模态振型为r =0和r=2p，相应于这些模态振型的固有频率与电动机大小和设计有关。对2极和4极电动机，模态振型r =0和r=2p的共振频率大约有以下各组： 中心高H< 中心高H> 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1 dB～6dB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，重要的谐波频率接近变频器的开关频率或其倍数，取决于变频器的开关频率和控制方式，定子铁心固有频率在r=O或r=2p时与电流型变频器供电时很接近。但开关频率可变时，对产生电磁噪声有极大的影响。另外，调制类型也影响谐波的幅值，也对电磁噪声的产生有影响。变频器采用无载波或随机PWM控制模式时比固定载波频率调制的变频器产生的噪声略高。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，在恒定磁通的情况下增长量可达到1 dB～15 dB。 9绝缘结构的使用寿命 与正弦波电源供电相比，变频器供电时电动机的绝缘结构要承受更高的介电应力。 在低速开关电流型变频器供电的情况下（通常是装有半导体晶闸管），在换流期间有尖峰电压作用于主绝缘和匝间绝缘上。换流峰值通常不危害绝缘系统，因为其上升时间相对较长重复的速度也较慢。 在快速开关电压型变频器供电的情况下(通常是IGBT)，作用在匝间绝缘上的电压梯度是重要的，特别是对接近电源引入处的线圈。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。 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7所示的脉冲电压而不致于显著地降低寿命。 快速开关型逆变器与连接电缆的组合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500 V的电动机，当承受如图7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。应当心避免改变应用速度，包括快速变化，这些会造成在变频器的输出端产生2倍于额定电压的再生电压。
图7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tr的关系曲线 由快速开关型逆变器供电的额定电压为超过交流500 V的电动机，需要采用加强韵绝缘结构和／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“峰值上升时间”按下述定义（见图8），该定义考虑了绕组内的瞬变现象： 图8 电动机端子处峰值电压上升时间tr的定义 电压范围Δu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tr，的定义是：电压从整个电压范围Δu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。 10轴承电流 当电动机由正弦波电压供电运行时，定子轭部环路磁通会在由轴、轴承、端盖和机座（见图9）组成的闭合导电回路中产生轴电压。该环路磁通是由定子轭部的不对称（如有扣片槽、通风道、迭片的各向异性）引起的。通常，轴电压主要由电源频率和由饱和效应引起的三倍电源频率迭加组成。如果轴电压没有超过约500 mV(峰值)，根据长期的经验无需采取防护措施。当轴电压超过约500 mV(峰值)，有可能在前述环路中产生环流，在相对短的时间内损害轴承。绝缘一个轴承，最好是非轴伸端轴承，这样就足以避免通过两个轴承以及当用导电联轴器时，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。
图9环形磁链、轴电压及其产生的环流icirc 当电动机由电流型变频器供电运行时，因供电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500 mV（峰值）。 当电动机由电压型变频器供电运行时，会存在一个全新的轴承电流源，即所谓的变频器共模电压。该共模电压是因变频器的拓扑结构和控制方式而固有的，它特别包含了与输出电压的谐波分量有关的频率分量。其峰值为变频器中间电路直流电压的50%范围之内，或当为不可控的六脉冲整流器时，为变频器输入线电压的72%范围之内。三相共模电压是同相的，可以看作是电压的零序分量：图10所示为共模模型的等效电路．与在工频时的性能相反，在高频时，电容起了很重要的作用。共模电流的幅值取决于共模电路的阻抗，尤其是电抗；共模电流最终流回到变频器的中性点。通常，共模电流有如下三种途径流经电机轴承： a)流经上述相同回路的环流可由高频环路磁通引起，与定子轭部的不对称无关，而与电流流经绕组和铁芯之间的电容有关。后者的作用将在同一匝线圈的两边产生不同的电流。因此，整个绕组的净安匝数不为零，根据安培定律，将产生环路磁通。 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10 V的高频尖峰，将会击穿轴承的油膜。试验表明，即使当低频轴承电压的幅值小于500 mV（峰值）时，基波分量和三次谐波分量仍可能维持环流电流不断。因此，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 低轴电压是有利的。 如果欲测量变频器供电时电动机的轴电压，应当采取适当的防范措施，且必须使用专用仪器和屏蔽测量线，否则因较高频率分量的影响将会得出错误的结果。 b)如果电动机轴端的电位更接近于变频器的接地电位而非电动机机座的电位，脉冲式的电容性电流将流经电动机的轴承，尤其是驱动端的轴承。当电动机和负载设备通过导电联轴器且电动机的机座没有充分地接地时，就会造成这种情况。轴中心高 c)如果定子铁芯和机座很好地接地（见图10），存在于轴承径向间隙的由电容耦合产生的电压，称作轴承电压，可被测量。轴承电压是共模电压的镜像。共模电压的百分比称做BVR（轴承电压比），它取决于定子绕组和转子之间的电容，转子和机壳之间的电容以及轴承本身的电容。测量结果表明，通常，轴承电压在10 V—30 V（峰值）的范围之间。如轴承电压超过其击穿值还会出现短时的放电电流(称做EDMl)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。可测景到，放电电流击穿的峰值在数安培的范围之内，重复率为每20 ms50次～100次。不能仅对一个轴承进行绝缘来抑制放电电流。放电电流击穿会造成轴承座的蚀损，可通过轴承噪声的增大而被较早地发现。 如果接地系统良好，经验表明：
B——轴承； iEDM——静电放电加工电流(EDM) C——电缆； Lo ——漏感； CSR一一定、转子之间的电容； RB——轴承电阻； CB ——轴承电容； Ro——绕组电阻； Caf——定子与机壳之间的电容； uang——定子中性点对地电压； Crf——转子与机壳之间的电容； ubrg——轴承电压； ． iB——轴承电流； ucm——共模电压。 图10共模电路模型及轴承电压ubrg d)本标准范围内的以及轴中心高 e)对本标准范围内的电动机，抗磨擦轴承的绝缘可采用相同尺寸的绝缘轴承来实现。对于中 1) EDM-Electrostatic Discharge Machining（静电放电加工）。 心高 几乎不需要将电动机的两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）。 f)本标准范围内的以及轴中心高 一一降低变频器输出电压的du/dt值； 一一或使用带降低相电压零序分量（称作共模电压）滤波器的变频器。 1 1 安装（电缆接线、接地、链结） 为了减少共模电压对电动机轴承造成危害，必须采取一切措施使穿透到电动机内部的共模电流最小化。相反，应引导共模电流通过电缆屏蔽层和／或电动机的接地导体流回变频器。 为了满足该要求（还有EMC要求）．应使用屏蔽对称多芯电缆。为了在高频时具有低阻抗，屏蔽层应为铜或铝。屏蔽层两端都必须连接到PE。电缆中接地导体对称于三相导体为宜。如果屏蔽层用作起保护作用的导体，必须谨慎地选择其导电率。 当安装电缆时，应确保屏蔽层高频连接到变频器和电动机机壳。因此，电动机的接线盒必须由导电材料制成且高频连接到机壳。电动机机壳和电缆屏蔽层或电动机端的接地导体之间的阻抗在1MHz时应小于1Ώ。 装置上所有暴露的金属部件都必须连接到接地系统以满足安全要求。当电动机由变频器供电时，电气连接还应满足在高频时具有低电感的要求。宽麻花辫状的铜带尤其适合。 这种连接带还能使电动机机壳和接线盒的电位相等。 根据负载设备的接地情况，轴中心高大于 辅助设备，如转速计，应与电动机电气绝缘，以防止寄生电流。转速计电缆的套管应在变频器处接地，但与转速计壳体绝缘。对于脉冲编码器，最好使用双重屏蔽的电缆。辅助设备的电缆路径应与电力电缆分开。 12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GB 755-2008的9.6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额定转速下运行。 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（或密封轴承的润滑脂使用期限）产生影响。 13功率因数校正 没有谐波分析的功率因数校正在变频器的输入端不能被采用。 不推荐在电子控制器接感应电动机时其负载侧用电力电容器改善功率因数。这可能会损坏控制器并且功率因数电容器会承受通常不属于它们定额的高频。 电压源变频器输入端的功率因数校正可以采用带前置有源功率因数校正的变频器来实现． | ||||||||||||
1 范围
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(IGBTs)、晶闸管、可关断晶闸管(GTO)等。
本标准适用于GB/T 21210-2007规定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。
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。
GB 755-2008旋转电机定额和性能(IEC 60034-1:2004，IDT)
GB/T 21209-2007变频器供电笼型感应电动机设计和性能导则(IEC 60034-25:2004，IDT)
GB/T 21210--2007单速三相笼型感应电动机的起动性能(IEC 60034-12:2002，IDT)
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0 kHz—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。
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，了懈电动机电压的频谱（对电压型变频器）或电动机的电流频谱（对电流型变频器）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…。其相应的谐波含量受换流时间间隔的影响，在不同的驱动系统中该时间间隔是不同的。
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