电机与变频器驱动系统的共振问题及解决方案

当外部源以其固有频率放大质量或结构的振动水平时，发生机械共振。对于像电动机或泵这样的旋转质量，这发生在临界速度下。电共振放大电压或电流的大小，或两者。

无论是机械还是电气，振幅的增加都会给电机和泵组件带来更大的压力，对运行产生负面影响（例如，增加的振动，不稳定性和能量消耗）并导致过早失效。

由外部能源供电，谐振可能继续增加，直到发生故障。机械共振会破坏电机，驱动和泵组件;电气共振会导致电动机绕组失效。本文讨论了两种类型的共振，并为每种共振提供解决方案。

机械系统共振

电动机和负载-例如泵-包括“双质量系统”并且通常通过诸如齿轮箱，皮带和联接器的动力传输装置连接。如图1所示，当电动机施加扭矩时，这些连接部件中的每一个都像弹簧一样稍微扭曲。如果任何固有频率在速度范围内，则可能发生机械系统共振，这通常是由电动机与其负载之间的顺应性（“弹性”或缺乏刚度）引起的。该问题的证据包括在固有频率下增加的振动。电机也可能发出类似音叉的纯音，开始“咆哮”或变得不稳定。

每个双质量系统至少有一个想要振荡的频率，即机械共振频率。在变频驱动（VFD）和电动机应用中，多个谐振（自然）频率是可能的。

机械共振解决方案

如果只有一个谐振频率是一个问题，一个好的解决方案是加强系统的“弹簧”（图1），以提高其谐振频率。这可以通过使用不太柔顺的部件来实现-例如，用更硬的“波纹管”联轴器代替螺旋联轴器，或者用更短和更厚的轴代替更长和更薄的轴。要加强皮带传动，请使用更宽或更短的皮带，带钢带或平行（多个）皮带。安装较硬的齿轮箱并加强机器的框架或底座也有助于减少机械共振问题。

变频驱动器。如前所述，VFD和电机应用可能会出现多个谐振频率。在大多数情况下，机械共振问题的解决方案是对VFD进行编程以“跳过”引起问题的共振频率，这防止电动机在与共振或振动相关的速度范围内操作。

负载-电机惯性。攻击机械共振问题的另一种方法是降低负载与电机惯性的比率。例如，如果电动机的物理尺寸远小于它所驱动的泵，则它比较大的电动机更难控制，并且更容易受到机械共振的影响。使用具有较大物理尺寸的电动机将改善负载-电动机惯性比，从而减少共振问题。当然，这种解决方案可能不实用，因为它可能需要对电气和机械系统进行重大修改。

电机底座改装。修改电机底座是减少机械系统共振的另一种方法。电机制造商通常可以提供计算所安装电机的系统谐振频率所需的信息：电机重量，重心和静态偏转。典型安装中的基座并不是真正的刚性，因此系统的实际共振频率可能低于计算显示的频率。如果该频率处于或接近工作速度，则可能需要改变电动机的谐振（簧片临界）频率以防止振动幅度的大幅增加。

实现这一目标的常见方法包括改变底座的刚度，改变电机/底座组合的重量或改变（通常降低）重心（参见图2）。（注意：在带套筒轴承的电机中，簧片临界速度约为运行速度的40％到50％会因油鞭或油旋转而引起振动。）

电气系统共振

除了激励机械共振之外，电力系统谐振也是可能的并且通常与谐波的存在相关联。

电力公司提供的电力通常是基频的纯正弦波，通常为50Hz或60Hz。然而，将非线性负载连接到电力系统可以在基频的倍数处注入称为谐波的不期望的频率分量。例如，典型的VFD在五次谐波（基频的五倍）以及第七，十一，十三等处产生这些不期望的分量。非线性负载的示例包括个人计算机，不间断电源（UPS））和直流电机驱动器。

将谐波添加到基频会产生失真的非正弦波形。根据谐波失真的程度，有害影响可能包括误跳闸和轻微故障，损坏的电机和泵以及长时间的停机。谐波还会增加电力系统和电气设备的损耗。

对于电动机，较高频率的谐波分量会在绕组上产生额外的电应力，增加转子发热并缩短电动机寿命。可能谐波最不利的影响是它们可以激发系统共振，损坏电机和泵，甚至导致系统故障。谐波还可能导致仪表读数错误，电机轴承故障（由于电流），功率因数校正系统上的熔断和电话通信干扰。在受影响的设备发生故障之前，许多这些问题可能无法检测到。

当VFD或其他非线性器件以谐振频率注入谐波电流时，系统变得兴奋或不稳定。欧姆定律（V=IZ）的变化适用于系统共振。当I（安培）和Z（阻抗）同时为高电平时，V（电压）变得异常高。这会导致电容器，变压器或其他设备过热或可能立即发生介电故障。

另一个问题是大多数VFD制造商规定了他们的设备和电机之间的最大引线长度。该规格因制造商和驱动器而异，但通常为50至英尺（15至75米）。由于这种限制会使应用变得困难，不切实际甚至不可能，许多VFD用户会忽视它，导致更多的电机故障和停机。

如果引线导体的谐振频率落在VFD电压波形的频率范围内，则导体本身将进入谐振。这将放大导体固有谐振频率处（或附近）的电压分量，导致电压尖峰超过VFD逆变器部分的DC总线电压的2.5倍。

电气系统谐振和谐波解决方案

防止VFD系统中电压尖峰的明显解决方案是将电机和驱动器之间的引线长度保持在驱动器制造商的规格范围内。如前所述，VFD也可以编程为“跳过”问题频率。

用于减少谐波的常用解决方案包括线路电抗器，隔离变压器，滤波器和更高脉冲的VFD（例如，12或18脉冲）。仔细考虑所有优点和缺点，以确定哪个最适合特定安装。

减少谐波的最简单和最常见的方法是增加系统的阻抗。该解决方案相对于成本提供最大的总谐波失真降低。实际上，在标准6脉冲VFD中，将阻抗增加仅3％将使电流谐波减少约50％。该解决方案通常通过安装DC扼流圈或输入线路电抗器，隔离变压器或这些的组合在VFD上完成。

线路电抗器。线路电抗器提供阻抗以减少谐波电流，但是比隔离变压器更小且通常成本更低。它们也称为电感器，其标准阻抗范围为负载阻抗的1.5％，3％，5％和7.5％。

在驱动器端子处应用线路电抗器可以帮助降低整个电路的谐振频率，但是电感器的铜和芯中的额外损耗增加了整体电路衰减。虽然这会降低过冲电压（电压尖峰）的峰值，但它也会增加其持续时间，这仍然会对电机绕组造成额外的压力。

隔离变压器。隔离变压器具有几个优点。首先，它为驱动器提供阻抗，从而减少电流失真。正确选择，它可用于匹配电源电压与负载的额定电压。如果次级接地，它还可以隔离接地故障并降低共模噪声（同时在电路的所有导体上发生的电噪声）。

谐波滤波器。也可以安装谐波滤波器，有时与电抗器和电阻器组合，以降低电力系统的谐波含量。在最简单的形式中，电容器-电感器组合“捕获”或滤除单个频率的谐波电流。低通滤波器可用于电容器，电感器和电阻器，只允许低频“通过”它们。

在逆变器的端子处应用调谐的低通滤波器可以去除所有VFD载波频率电压。这些特定于应用的定制滤波器最初设计用于限制可听到的电机噪声。虽然这种方法可以消除基频以上的所有VFD频率，并提供出色的电机保护，但滤波器还会因电感损耗而降低基波电压。这可能导致电动机吸收更高的基波电流以产生额定功率。

结论

无论共振问题是机械，电气还是两者的某种组合，早期检测和校正都是至关重要的。共振问题不仅会降低电机驱动系统的效率，还会增加损耗，但它们也可能导致设备或系统损坏，停机成本高昂，生产损失。

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