變頻器供電對永磁電機(jī)振動噪聲源的影響探究

摘 要：從現(xiàn)狀看，永磁電動機(jī)擁有變頻調(diào)速的優(yōu)良特性，正被廣泛采納。在平日生活及生產(chǎn)中，變頻器都可用于常態(tài)的供電。然而，變頻器在供電過程中，對于永磁電機(jī)將會帶來影響。經(jīng)過解析可得永磁電機(jī)振動狀態(tài)下的噪聲源影響，對比得到氣隙磁場在這個階段內(nèi)的頻率諧波。在這之后，借助于三維聲場解析了正弦波及變頻器在供電進(jìn)程中的不同噪聲頻譜，給出主要成分。經(jīng)過實驗解析，診斷并識別了信號及噪聲源，探析具體影響。

關(guān)鍵詞：變頻器供電；永磁電機(jī)；振動噪聲源；具體影響

變頻調(diào)速性的永磁電機(jī)表現(xiàn)為優(yōu)良性能，電機(jī)的起動及制動、調(diào)速等質(zhì)量都很高。但與此同時，供電所需的變頻器也增添了額外的電機(jī)振動，增加了噪聲源。變頻供電的狀態(tài)下，定子電流附帶了較多的時間諧波，與之相應(yīng)的氣隙磁場也很難杜絕諧波的干擾。若變頻器本身的頻率很近似開關(guān)頻率，那么氣隙磁場還會增添空間的高速諧波，在較大范圍內(nèi)干擾到電磁力波的總數(shù)及幅值。由此可見，若采納了變頻器來供應(yīng)電機(jī)電能，則要慎重防控振動噪聲源的潛在干擾。應(yīng)當(dāng)結(jié)合實際，辨析振動電機(jī)的噪聲源位置及特性，從而減低電機(jī)附帶的噪聲干擾。

1 變頻器供電帶來的噪聲源

從目前狀態(tài)看，永磁同步電機(jī)多配備了變頻調(diào)速。相比于傳統(tǒng)調(diào)速，變頻調(diào)速的新方式擁有更優(yōu)的性能，起動制動也更為便捷。然而不應(yīng)忽視，變頻器供應(yīng)電能的方式將會帶來更高的電機(jī)噪聲，增加噪聲干擾。若采納了變頻器來供應(yīng)電能，那么時間諧波將會增加，氣隙磁場及定子電流都含有這類諧波。如果變頻器符合了開關(guān)頻率，還會增添更多的電磁力波。在這種狀態(tài)下，電機(jī)及激振力二者的頻率會很接近，引發(fā)共振因而表現(xiàn)出噪聲[1]。

在電機(jī)噪聲范圍內(nèi)，供電變頻器被看作主要的源頭。在輸入電流時，高次諧波很易帶來噪聲。實際上，電動機(jī)噪聲及電流激勵二者是密切相關(guān)的，噪聲源自永磁電機(jī)。因此，若要辨析振動及噪聲的關(guān)系，那么不可忽視控制系統(tǒng)產(chǎn)生出來的噪聲干擾。在聲場輻射中，裝置自帶的頻率及變頻器波形都應(yīng)充分考慮，這兩類要素是主要的。為了調(diào)控噪聲源，可以變更現(xiàn)有的脈寬以此來削減電流諧波。這是由于，電流諧波對于共振頻率是很敏感的。

變頻器供電不可避免影響到永磁電機(jī)，造成噪聲源的振動。為此，首先解析了氣隙磁場在變頻供電中的波動狀態(tài)，歸納了各階段內(nèi)的諧波頻率。經(jīng)過詳盡的解析，給出電機(jī)振動覆蓋的噪聲頻譜，區(qū)分了正弦波及變頻器的頻率成分差異。選取某一樣機(jī)，模擬診斷可得精確的噪聲源信號。在供電過程中，永磁電機(jī)及氣隙磁場都表現(xiàn)出特定的振動頻率，可用信號予以表示。

2 氣隙磁場帶來的噪聲源

若選取了變頻器來提供永磁電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)電能，則需要顧及氣隙磁場的真實影響。針對于氣隙磁場，在表達(dá)氣隙磁密時可忽視細(xì)微的磁路及鐵心磁阻。經(jīng)過綜合衡量，即可擬定必備的表達(dá)式。詳細(xì)來看，先要設(shè)定如下參數(shù)：f代表氣隙磁場內(nèi)的磁動勢，a代表氣隙比。在這種狀態(tài)下，氣隙磁場可表述為如下密度：b=f*a。變頻送電的過程中，同步運(yùn)轉(zhuǎn)的永磁電機(jī)包含了氣隙的磁動勢。依照電機(jī)學(xué)根本原理，正弦波供電狀態(tài)下的磁動勢還可分成定子諧波、基波及永磁體這樣三類。在永磁電機(jī)中，同時表現(xiàn)出這三類的磁動勢[2]。

相比于正弦波供電，變頻供電針對于永磁電機(jī)帶來的諧波磁動勢是較大的。這是由于，定子諧波將會產(chǎn)生某一比值的基波電流，時間諧波電流密切關(guān)系到定子的磁動勢。在這之中，定子諧波很難避免潛在的磁動勢，它根源于供電變頻器的偏大噪聲。在諧波干擾下，永磁電機(jī)也很易頻繁振動，造成過大噪聲。定子基波電流可引發(fā)磁動勢，與此同時，時間諧波電流也包含了同樣的磁動勢。定子在開槽狀態(tài)下，氣隙比產(chǎn)生出來的磁導(dǎo)傾向于恒定，由此即可算出這個階段內(nèi)的精確諧波比。在這種計算中，忽視了諧波磁導(dǎo)及磁動勢的彼此影響。

變頻器供電時，同步性的永磁電機(jī)包含著特定的氣隙磁場。在表達(dá)式中，變頻供電范圍內(nèi)的所有要素都被涵蓋在內(nèi)。氣隙磁場設(shè)定的表達(dá)式代表了諧波頻率、變頻器特有的開關(guān)頻率，解析了二者的內(nèi)在關(guān)系。轉(zhuǎn)子諧波磁場及變頻器將會彼此作用，因此帶來較高頻率狀態(tài)下的磁場幅值。此外，電磁激振力附帶的波形頻率也是很高的，由此引發(fā)關(guān)聯(lián)的電機(jī)噪聲及振蕩。

3 解析以及計算

3.1 有限元的解析

變頻器針對于永磁電機(jī)的供電不可忽視隱含的氣隙磁場，對于這種磁場，有必要采納有限元特定的解析方式。具體而言，有限元解析的側(cè)重點(diǎn)應(yīng)為噪聲特性及電機(jī)振動特性。給出特定的供電條件，而后解析得出潛在的振動特性規(guī)律。例如：某臺電動機(jī)設(shè)定為20kW總的供電功率，外形為盤式裝置。正弦波供電過程中，分別解析得出了氣隙磁場在各階段的精確波形。盤式電機(jī)擬定了如下參數(shù)：20kW額定的電機(jī)功率、每分鐘400轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速、5的電機(jī)相數(shù)、25的定子槽數(shù)。此外，設(shè)定了85Hz的額定電機(jī)頻率。定子的內(nèi)外直徑分別設(shè)定為200毫米及400毫米。電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時，描繪了盤式的三維圖例，構(gòu)建立體模型。針對于電機(jī)磁場，在繞組及電機(jī)定子范圍內(nèi)添加了3Hz特定的開關(guān)頻率及正弦波電流。在這種狀態(tài)下，算出時間諧波電流，描繪了氣隙磁場的電機(jī)波形[3]。

正弦波在日常供電時，要格外注重定子半徑中間的氣隙磁場，描繪出這個端點(diǎn)的精確波形。設(shè)定了3kHz的開關(guān)頻率，這種基礎(chǔ)上即可描繪明晰的磁場波形。經(jīng)過觀察可知，變頻器在用于磁場供電時，定子電流隱含了高次諧波，這種諧波被看作時間諧波。在這時，電機(jī)磁場將會顯露多余的毛刺，在圖例中表現(xiàn)尤為明顯。經(jīng)過波形分析，可得各次諧波對應(yīng)著的幅值及頻率，進(jìn)而獲取精準(zhǔn)的頻譜圖。在盤式供電的裝置中，3kHz這個數(shù)值周邊呈現(xiàn)為最高的磁場諧波，氣隙磁場也引發(fā)了頻繁性的振動。在這之中，最大幅值諧波表現(xiàn)出3000Hz及3300Hz的峰值。變頻器自帶的開關(guān)頻率密切關(guān)系到這些最大頻率，二者是有所關(guān)聯(lián)的。

設(shè)定了5kHz及6kHz的另外兩種開關(guān)頻率，這種基礎(chǔ)上描繪了磁場波形。傅里葉方法解析可得開關(guān)頻率周邊范圍內(nèi)的氣隙磁場諧波，歸納了諧波頻率總體的變更趨向。針對于開關(guān)頻率、主要諧波頻率，經(jīng)過探析可知二者是緊密相關(guān)的。變頻器擬定了開關(guān)頻率，運(yùn)行中的電機(jī)也呈現(xiàn)為特定化的頻率變化趨向。

3.2 模擬振動噪聲的實驗

永磁電機(jī)處在氣隙磁場范圍內(nèi)，這時就很難避免諧波。經(jīng)過推算可知各階段內(nèi)的電機(jī)諧波頻率，這些數(shù)值可為后續(xù)估算提供參照。永磁電機(jī)呈現(xiàn)為頻繁波動的頻率，也不可忽視電磁的激振力。為了驗證公式，還需測定各類頻率狀態(tài)下的磁場波形變動，推算這種變動的總趨勢。在具體實驗時，針對于永磁同步的盤式電動機(jī)，給出不同頻率下的精確磁場波形。經(jīng)過傅里葉變換，得到氣隙磁場在接受供電這個時段內(nèi)的諧波頻率。對比得到結(jié)論：氣隙磁場在變頻器送電時的諧波頻率吻合了實測得出的頻率。在某些時點(diǎn)上，頻率也存在誤差，但始終處在可調(diào)控的范圍內(nèi)。

3.3 激振力帶來的噪聲源

轉(zhuǎn)子及定子在磁場內(nèi)都會附帶諧波，二者彼此作用，產(chǎn)生了激振力。在定子的表面，電機(jī)噪聲及頻繁性的振蕩都是不可消除的，都應(yīng)考慮在內(nèi)。在變頻供電時，電機(jī)定子在磁場中將會產(chǎn)生較高的諧波，這種諧波密切關(guān)系到電樞磁場及隱含的開關(guān)頻率。磁場及諧波彼此發(fā)生了作用，因而增添了額外的激振力。針對于定子側(cè)，激振力頻率可表述為永磁體基波及磁場頻率二者的差值。變頻器供電的時段內(nèi)，永磁電機(jī)引發(fā)的頻率也就代表了總的激振力作用[4]。

后期在計算時，采納了有限元軟件描繪了瞬態(tài)的三維磁場。依照磁場定律，定子表層的鐵心也可產(chǎn)生某一層次的激振力，這種激振力源自電磁的作用。不同時間段內(nèi)，激振力也會呈現(xiàn)出不同。得到了激振力之后，即可描繪明晰的頻譜波形。在這種基礎(chǔ)上，比較得出精確的頻率。有限元解析獲得的電磁激振力大致等于真實供電中的激振力，兩類數(shù)值并沒有凸顯較大的差值。這是由于，電機(jī)附帶的噪聲及振動都可歸因于表層的激振力，來自電機(jī)的定子。由此也可推斷出：噪聲頻率及對應(yīng)著的振動頻率是緊密相關(guān)的。經(jīng)過推算及總結(jié)，表述了噪聲及電機(jī)振動的頻率特征。

4 歸納噪聲源的影響

4.1 噪聲源的總體影響

探析噪聲源的振動影響，選取了有限元法及解析法。針對于變頻器供電，應(yīng)當(dāng)辨析電磁激振力、氣隙磁場及振動噪聲各自的頻率特性。在詳盡解析之后，歸納可得噪聲源包含的要素及影響。

變頻器供電中，在氣隙磁場中的永磁電機(jī)將會改變固有的定子諧波電流。在這種狀態(tài)下，變頻器自帶的開關(guān)頻率若很接近空間磁場諧波，則會增添更大噪聲的干擾。定子磁場也含有特定比例的諧波頻率，電機(jī)振動引發(fā)的噪聲頻率及諧波頻率二者也是有關(guān)的，可以設(shè)定特定的表達(dá)式。選取了待測點(diǎn)，而后歸納可得供電變頻器附帶的噪聲。經(jīng)過解析可知，3kHz這個頻率周邊聚集了偏多的諧波，因而也帶來了噪聲。氣隙磁場在這個范圍附近表現(xiàn)出偏高噪聲，永磁電機(jī)恰巧也呈現(xiàn)為較高噪聲，兩類噪聲的幅值是吻合的。這種狀態(tài)可歸因為：基波及變頻電流二者擁有同等的頻率，因此呈現(xiàn)出彼此調(diào)制的相互關(guān)系，這樣即可產(chǎn)生噪聲的新峰值。

此外，供電方式設(shè)定為正弦波時，永磁振動引發(fā)的電機(jī)噪聲聚集于偏低的噪聲頻段內(nèi)。與此同時，永磁電機(jī)采納的變頻供電也呈現(xiàn)為集中的頻率。開關(guān)頻率附近，更容易聚集高頻率的噪聲。由此可見，若要阻止或者減低供電進(jìn)程中的電機(jī)振動、消除噪聲干擾，則應(yīng)從根本上消減開關(guān)頻率范圍內(nèi)的干擾諧波。唯有如此，才能削弱或消解諧波產(chǎn)生出來的永磁電機(jī)干擾。

4.2 噪聲自身的特性

模擬可得三維的聲場，進(jìn)而算出永磁電機(jī)在各階段的具體振動影響。對于盤式電機(jī)，也解析了這種聲場特性。定子繞組可設(shè)置為特定數(shù)值的諧波電流，以此來模擬正弦波的加載電流。在模擬的基礎(chǔ)上，反映了變頻器各階段的供電特性。在測算噪聲時，綜合衡量了人耳聽到的噪聲強(qiáng)度，對此可設(shè)置聲壓級。在給出來的測點(diǎn)范圍內(nèi)，測算了變頻器及正弦波兩類供電方式下的聲壓級，描繪出頻譜圖。

在開關(guān)頻率周圍，變頻供電的氣隙磁場會受到更明顯的干擾，進(jìn)而呈現(xiàn)出諧波。由此可以表明：開關(guān)頻率這個范圍附近都表現(xiàn)出較大幅值。出現(xiàn)這種狀態(tài)，是由于調(diào)制的基波及電流諧波二者彼此干擾，因而帶來這個點(diǎn)的噪聲峰值。從感知器官來看，耳朵針對于噪聲的敏感頻段應(yīng)為1到6kHz。在這個范圍內(nèi)，噪聲如果很集中那么將會干擾聽覺。

5 結(jié)束語

經(jīng)濟(jì)在快速進(jìn)步，永磁電機(jī)及供電變頻器被廣泛用于日常生活及工業(yè)，顯示出必要的價值。變頻器供電的方式表現(xiàn)出便捷性，但很難避免附帶的噪聲。變頻供電很易造成電機(jī)的頻繁振動，諧波影響到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)過實驗可知：變頻器供電產(chǎn)生的噪聲根源即為永磁電機(jī)的頻繁振動。在未來實踐中，還需歸納變頻器供電的要點(diǎn)，有序縮減運(yùn)行中的永磁電機(jī)噪聲干擾，確保最佳的電機(jī)效能。

參考文獻(xiàn)

[1]唐任遠(yuǎn)，宋志環(huán)，于慎波，等.變頻器供電對永磁電機(jī)振動噪聲源的影響研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2012（3）：12-17.

[2]張溪海.變頻器供電對永磁電機(jī)震動噪聲源的影響研究[J].科技與創(chuàng)新，2016（7）：68.