變頻器的微浪涌電壓抑制技術

分類：技術教程日期：2011-07-09 00:00:00 來源：西部工控網

0 引言

　　隨著世界性的環境保護意識的提高和節能要求的迅速發展，特別是在工業用電機控制中，以電力半導體組件組裝的變頻器正成為應用的主流。

　　但當變頻器和電機之間的接線距離很長時，電機接線端因變頻器的高速開關過程引起的微浪涌電壓，給電機的絕緣帶來影響，造成電機損傷。這里把浪涌稱為微浪涌是為了區別于雷電等突發的強大浪涌，微浪涌從示波器上看是密集的、連續存在的、很窄的尖峰電壓。

　　本文對微浪涌電壓的發生機理及其對電機的影響作了分析，介紹了抑制微浪涌電壓的技術，以及最近出現的衰減微浪涌電壓的產品和采用細線徑傳輸為特征的微浪涌抑制組件的工作原理等。

1 微浪涌電壓的發生機理

　　1.1 變頻器的輸出電壓波形

　　變頻器主要由把交流市電整流成直流的整流器、平滑電壓脈動的電容器、6 個開關器件構成的逆變器所組成。如圖1 所示，逆變器部分輸出由改變脈沖寬度（PWM 波）形成的等效正弦波交流電壓去驅動電機。近幾年的變頻器為了使電機低噪音化，逆變部分的開關器件采用IGBT進行著高速開關動作。因此，在PWM 波的每個脈沖上升和下降時，即開關時間以非常短的時間駐t=0.1~0.3 滋s切換著的時候，使逆變器內部的直流電壓Ed（400 V電力系統用逆變器的Ed=600 V左右）因切換所形成的電壓變化率dv/dt變得很大，這是產生微浪涌的主要根源之一。

　　1.2 微浪涌電壓

　　微浪涌電壓是變頻器和電機之間的接線長度很長時，在電機接線端產生的極細的尖峰浪涌電壓。如圖2所示，逆變器的輸出電壓是脈沖狀，在電機接線端子上發現在脈沖狀的波形上又疊加了微浪涌電壓尖峰。一般情況下，微浪涌電壓的尖峰值將會是逆變器內部的直流電壓的2 倍。

　　1.3 阻抗不匹配形成的反射

　　變頻器的輸出脈沖上升或下降時間很短，是疊加在變頻器輸出給電機的驅動頻率（基波）及脈沖調制頻率（調制波）之外的高頻成分。一般情況下，變頻器與電機連接電纜的阻抗ZL是50~100 贅，而電機本身的阻抗ZM，一般數百kW的電機也都超過1 k贅，是電纜阻抗的10 倍以上。這樣，在電機的接線端子上將發生阻抗的不匹配現象，造成高頻波成分的反射。在不匹配阻抗連接處的反射系數M為

　　變器的輸出脈沖同一極性、幾乎同一大小的反射波，疊加后成為微浪涌尖峰電壓。圖3 形象地表示了反射的情況，微浪涌電壓就像海浪遇到障礙一樣被抬得很高。圖4 表示實際電纜和電機的阻抗差別，一般電機的阻抗是電纜特性阻抗的10 倍以上，所以反射總是存在。

1.4 微浪涌發生的實例
　　
　　某一變頻器和電機額定值都是AC 400 V輸入、功率3.7 kW，運行電網電壓AC 460 V，輸電電纜長度50 m。空載條件下，測量出變頻器內部直流中間電壓為620 V，用示波器看到的電機接線端子上的微浪涌波形如圖緣所示，圖中，微浪涌電壓值高達直流1 250 V，這對電機絕緣產生破壞并加速其老化。

　　測量變頻器與電機間不同布線電纜長度時的微浪涌電壓如圖6 所示，這是在IGBT 調制頻率2 kHz，脈沖上升時間駐t=0.1 滋s 的常見條件下的測量值，可以看到電纜長度超過100 m后，微浪涌電壓保持在變頻器內部直流電壓2 倍的水平不變。而電纜長度超過20 m就要重視微浪涌電壓可能已經超過變頻器內部直流電壓1.8 倍的情況。

2 微浪涌電壓對電機的影響

　　電機內部的斷面如圖7 所示。電機有定子和轉子，定子內有安放三相線圈的槽。如果放大槽的內部，可以看到有許多的線圈（漆包線），各線圈對地之間、各相之間、線匝相互之間都有絕緣存在。通常對地、相間都有絕緣紙插入，而線匝之間沒有絕緣紙插入，它利用堅固的漆包線的漆層獲得絕緣。微浪涌電壓給這些絕緣全部帶來影響，這些絕緣損壞之中，線圈匝間損壞最多。表1 列出了有關電機內部各絕緣部分承受的電壓值，也稱為電壓應力，提供了用市電電源驅動電機和用變頻器驅動時相比較的資料。

　　2.1 對線圈匝間的絕緣破壞

　　浪涌電壓滲入電機內部的時候，線圈匝間究竟加上多少電壓，模擬結果如圖8所示。該模擬是將測量點放在電機的每一線圈上（電機槽內的漆包線圈上），在U-V之間加上上升時間0.14 滋s 的浪涌電壓的測量的結果。U-S1之間是第1 線圈分擔的電壓，測得它分擔了全電壓65豫耀75%，而別的線圈S1-S2、S2-S3、S3-V 之間分擔了10豫耀20%，這是因為電機內部的阻抗大，微浪涌電壓在逐漸衰減。

　　在電機的制造過程中，漆包線線圈的起頭到末尾完全分離不易做到，多數情況下是亂繞的，槽里邊線頭和線尾可能緊挨著。如果這樣就會發生線匝之間由于微浪涌電壓的電暈放電（局部放電）。那怕放電部分時間極其短促，局部也會達到10 000益，高溫使絕緣逐漸地侵蝕，過些時間之后絕緣就會被破壞。如圖9 所示為直徑0.85 mm、漆皮厚33 滋m、F 級絕緣、155益漆包線的壽命特性。

　　壽命特性水平軸表示施加破壞脈沖次數和破壞時間；縱座標軸表示破壞電壓，兩條曲線分別表示漆包線在溫度20益和155益兩種條件下測量的結果。

　　壽命特性用斜率不同的兩條線表示，兩條線連接的地方叫做局部放電起始電壓。斜率陡險的部分，是確實發生了放電的區域，2 小時內漆包線遭到破壞。斜率緩慢的區域極少發生局部放電。按照這一結論，如果控制住第1 線圈局部放電起始電壓，就不發生微浪涌電壓的絕緣破壞。另外，如果相間（U-V 之間）控制在1 000 V以下、上述的第1 線圈的電壓分擔率控制在750 V 左右，就能夠確保20 年的壽命。

　　2.2 由于微浪涌所造成電機損壞的真實情況

　　在日本，隨著變頻器的普及，電機廠家強化了電機的絕緣，多數把絕緣水平做到超過1 200 V以上。JEMA（日本電機工業會）的技術資料顯示在1989耀1993 年的5 年間，根據對電機發貨臺數統計的微浪涌的損壞事例在0.013% ，即非常低的概率。不過長期使用絕緣老化的舊電機和被認為絕緣水平低的電機，絕緣破壞的危險性還是較高。另外，根據近幾年的電源的高次諧波對策和對以升降機的回生能量為目標的高功率因數電源推廣應用，所設置PWM 變頻器系統不斷增加。PWM變頻器的回生能量為了送回市電電源，讓直流中間電壓上升到較高值是必要的關鍵，其結果是由于微浪涌電壓引發絕緣破壞的可能性正在增加。在中國和其它AC 440~380 V地區，市電電壓是日本市電電壓的2倍，因此，微浪涌電壓的危害更加顯著。

3 微浪涌的抑制技術

　　鑒于上述原因，各變頻器廠商致力于克服微浪涌問題，開發和銷售各種各樣對微浪涌進行抑制的產品。

　　3.1 輸出電路用的濾波器

　　輸出電路用濾波器由輸入輸出接線端子、電阻、電容器、電抗器所構成，如圖10 所示，其中電抗器是非常重的部件。作為主要的指標，相間的微浪涌電壓為1 000 V以下，變頻器和電機之間的接線長度為400 m，產品的系列到達500 kW，防護等級為IP00。

　　3.1.1 工作原理

　　輸出濾波器的工作原理如圖11所示。微浪涌電壓是變頻器輸出脈沖上升時間出現的dv/dt 過大所引起，又由于阻抗不匹配被反射而發生。因此輸出電路使用濾波器，用于抑制dv/dt，也就是抑制了高頻成分因阻抗不匹配而造成的微浪涌。所以輸出濾波器是dv/dt抑制型濾器，這種濾波器在變頻器的調制頻率為15 kHz、接線長度為400 m時，能做出微浪涌電壓1 000 V以下的性能非常優良的產品。不過，這種方式的濾波器為了讓逆變器的輸出電流通過電抗器，不得不做成大容量，造成濾波器的大型化、高價格化、大重量，有的達到50 kg以上，給用戶造成了實際負擔。

　　3.1.2 抑制效果

　　圖12 顯示了供電電源440 V，功率為3.7 kW的變頻器供電給電機（3.7 kW，400 V），在接線長度為100 m時、測量電機接線端子U-V 之間的微浪涌電壓的抑制效果。在沒有輸出濾波器的情況下，微浪涌電壓達到1 360 V，相當于變頻器內部直流電壓680V 的200%。有輸出濾波器的時候，頂峰值電壓是756 V、相當于變頻器器內部的直流電壓680 V的111%，它和沒有輸出濾波器的頂峰電壓差距有604 V，抑制效果達89%。

　　3.2 浪涌抑制組件

　　圖13 所示為浪涌抑制組件的外觀。和輸出濾波器相比，浪涌抑制組件是小型化的產品。其技術指標為相間的微浪涌電壓1 000 V以下，防護等級為IP20。浪涌抑制組件是對變頻器的容量不需要選擇，而接線距離需要選擇的產品。另外，接線方法非常簡單，只需要把浪涌抑制組件的輸入電纜接到電機接線端子U、V、W上。

　　3.2.1 工作原理

　　浪涌抑制組件的工作原理如圖14 所示。浪涌抑制組件內部卷繞的浪涌抑制線具有和電纜線的阻抗ZL相同的阻抗，因此接到電機的接線端子上降低了電機接線端子的阻抗，從而減少了阻抗不匹配時的反射波。通常高頻波成分在電纜線上的阻抗ZL是50耀100 贅，設計的浪涌抑制線的阻抗ZS是50~60歐。

　　浪涌抑制線的斷面圖如圖14 所示。浪涌抑制線用直徑1.2 mm 的線做成，內部的銅線外表進行高電阻率材料電鍍，又用高介電常數材料作絕緣體覆蓋，外表是屏蔽保護的同軸電纜線。銅線和高電阻鍍層的芯線和屏蔽線間的分布電容，降低了高頻阻抗，因而吸收了浪涌。使用這種浪涌抑制線的產品，除浪涌抑制組件以外，還有浪涌抑制電纜，是在變頻器的主電流通過的電纜線內部平行安置了浪涌抑制線，它的截面圖和連接方法如圖15 所示。

　　3.2.2 浪涌抑制組件的特點

　　只需接到電機接線端子，即可大幅度減低浪涌電壓；
　　在使用PWM變頻器的時候，相間電壓可控制到1 000 V以下；
　　不需要追加施工，對已經安裝運行的設備，設置容易；
　　與變頻器容量沒有關系，都可適用（但是，超過75 kW 的電機需對應設置）；
　　需配合變頻器和電機之間的接線電纜長度，規格有50 m和100 m兩種；
　　適應于RoHS 指令；
　　與輸出濾波器相比，小型化、輕量化。

3.2.3 從傳輸線理論得出的浪涌抑制原理

　　根據傳輸線理論，浪涌抑制使用了浪涌吸收、浪涌減衰、浪涌抑制線的反射降低的方法。
員）浪涌吸收浪涌是高頻波成分，低阻抗的浪涌抑制線接在電機接線端子上，讓浪涌電流流到抑制線里面去，如圖16所示。

　　浪涌減衰浪涌電流是高頻波成分，根據集膚效應，浪涌電流集中在導線外表面，因導線外表鍍高電阻率材料鍍層，故浪涌電流的能量在電阻上被消耗了，如圖17 所示。

　　浪涌抑制線的反射降低浪涌電流的高頻分量在浪涌抑制線內被旁路和衰減，使浪涌形狀變鈍，浪涌頻帶中心向低頻方向移動。又從浪涌電流來看，好像浪涌抑制線的特性阻抗逐漸變高了，使得抑制線末端不易被反射回來。如圖18所示。

　　3.2.4 抑制效果

　　圖19 是變頻器的電源電壓為400 V，3.7 kW的電機、接線長度50 m，和75 kW的電機、接線長度100 m時抑制微浪涌電壓的效果。對于3.7 kW的電機，當沒有浪涌抑制組件時，微浪涌電壓為1 036 V，相當于變頻器內部的直流電壓540 V的192%；當加了浪涌抑制組件時，50 m電纜的峰值電壓為733 V，相當于變頻器內部的直流電壓540 V的136%。電壓尖峰差距303 V，有61%的抑制效果。對于75 kW的電機，當沒有浪涌抑制組件時，微浪涌電壓為1 040 V，相當于變頻器內部直流電壓520 V的200%；當加了浪涌抑制組件時，電纜的峰值電壓為785 V，相當于變頻器內部直流電壓520 V得151%。電壓尖峰差距255 V，有49%的抑制效果。