實(shí)際應(yīng)用中變頻器的微浪涌電壓抑制技術(shù)研究

　0 引言

　　隨著世界性的環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高和節(jié)能要求的迅速發(fā)展，特別是在工業(yè)用電機(jī)控制中，以電力半導(dǎo)體組件組裝的變頻器正成為應(yīng)用的主流。

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

　　本文對微浪涌電壓的發(fā)生機(jī)理及其對電機(jī)的影響作了分析，介紹了抑制微浪涌電壓的技術(shù)，以及最近出現(xiàn)的衰減微浪涌電壓的產(chǎn)品和采用細(xì)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(fā)生機(jī)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(dòng)的電容器、6 個(gè)開關(guān)器件構(gòu)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(qū)動(dòng)電機(jī)。近幾年的變頻器為了使電機(jī)低噪音化，逆變部分的開關(guān)器件采用IGBT進(jìn)行著高速開關(guān)動(dòng)作。因此，在PWM 波的每個(gè)脈沖上升和下降時(shí)，即開關(guān)時(shí)間以非常短的時(shí)間駐t=0.1~0.3 滋s切換著的時(shí)候，使逆變器內(nèi)部的直流電壓Ed（400 V電力系統(tǒng)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(chǎn)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(jī)之間的接線長度很長時(shí)，在電機(jī)接線端產(chǎn)生的極細(xì)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(jī)接線端子上發(fā)現(xiàn)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(huì)是逆變器內(nèi)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(shí)間很短，是疊加在變頻器輸出給電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率（基波）及脈沖調(diào)制頻率（調(diào)制波）之外的高頻成分。一般情況下，變頻器與電機(jī)連接電纜的阻抗ZL是50~100 贅，而電機(jī)本身的阻抗ZM，一般數(shù)百kW的電機(jī)也都超過1 k贅，是電纜阻抗的10 倍以上。這樣，在電機(jī)的接線端子上將發(fā)生阻抗的不匹配現(xiàn)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(shù)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(shí)際電纜和電機(jī)的阻抗差別，一般電機(jī)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(fā)生的實(shí)例

　　某一變頻器和電機(jī)額定值都是AC 400 V輸入、功率3.7 kW，運(yùn)行電網(wǎng)電壓AC 460 V，輸電電纜長度50 m?？蛰d條件下，測量出變頻器內(nèi)部直流中間電壓為620 V，用示波器看到的電機(jī)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(dá)直流1 250 V，這對電機(jī)絕緣產(chǎn)生破壞并加速其老化。

　　測量變頻器與電機(jī)間不同布線電纜長度時(shí)的微浪涌電壓如圖6 所示，這是在IGBT 調(diào)制頻率2 kHz，脈沖上升時(shí)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(nèi)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(jīng)超過變頻器內(nèi)部直流電壓1.8 倍的情況。

　　2 微浪涌電壓對電機(jī)的影響

　　電機(jī)內(nèi)部的斷面如圖7 所示。電機(jī)有定子和轉(zhuǎn)子，定子內(nèi)有安放三相線圈的槽。如果放大槽的內(nèi)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(jiān)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(guān)電機(jī)內(nèi)部各絕緣部分承受的電壓值，也稱為電壓應(yīng)力，提供了用市電電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)和用變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)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(jī)內(nèi)部的時(shí)候，線圈匝間究竟加上多少電壓，模擬結(jié)果如圖8所示。該模擬是將測量點(diǎn)放在電機(jī)的每一線圈上（電機(jī)槽內(nèi)的漆包線圈上），在U-V之間加上上升時(shí)間0.14 滋s 的浪涌電壓的測量的結(jié)果。U-S1之間是第1 線圈分擔(dān)的電壓，測得它分擔(dān)了全電壓65豫耀75%，而別的線圈S1-S2、S2-S3、S3-V 之間分擔(dān)了10豫耀20%，這是因?yàn)殡姍C(jī)內(nèi)部的阻抗大，微浪涌電壓在逐漸衰減。

　　在電機(jī)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(shù)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(huì)發(fā)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(shí)間極其短促，局部也會(huì)達(dá)到10 000益，高溫使絕緣逐漸地侵蝕，過些時(shí)間之后絕緣就會(huì)被破壞。如圖9 所示為直徑0.85 mm、漆皮厚33 滋m、F 級(jí)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(shù)和破壞時(shí)間；縱座標(biāo)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(jié)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(xiǎn)的部分，是確實(shí)發(fā)生了放電的區(qū)域，2 小時(shí)內(nèi)漆包線遭到破壞。斜率緩慢的區(qū)域極少發(fā)生局部放電。按照這一結(jié)論，如果控制住第1 線圈局部放電起始電壓，就不發(fā)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(dān)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(jī)損壞的真實(shí)情況

　　在日本，隨著變頻器的普及，電機(jī)廠家強(qiáng)化了電機(jī)的絕緣，多數(shù)把絕緣水平做到超過1 200 V以上。JEMA（日本電機(jī)工業(yè)會(huì)）的技術(shù)資料顯示在1989耀1993 年的5 年間，根據(jù)對電機(jī)發(fā)貨臺(tái)數(shù)統(tǒng)計(jì)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(jī)和被認(rèn)為絕緣水平低的電機(jī)，絕緣破壞的危險(xiǎn)性還是較高。另外，根據(jù)近幾年的電源的高次諧波對策和對以升降機(jī)的回生能量為目標(biāo)的高功率因數(shù)電源推廣應(yīng)用，所設(shè)置PWM 變頻器系統(tǒng)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(guān)鍵，其結(jié)果是由于微浪涌電壓引發(fā)絕緣破壞的可能性正在增加。在中國和其它AC 440~380 V地區(qū)，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(shù)

　　鑒于上述原因，各變頻器廠商致力于克服微浪涌問題，開發(fā)和銷售各種各樣對微浪涌進(jìn)行抑制的產(chǎn)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(gòu)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(biāo)，相間的微浪涌電壓為1 000 V以下，變頻器和電機(jī)之間的接線長度為400 m，產(chǎn)品的系列到達(dá)500 kW，防護(hù)等級(jí)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(shí)間出現(xiàn)的dv/dt 過大所引起，又由于阻抗不匹配被反射而發(fā)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(diào)制頻率為15 kHz、接線長度為400 m時(shí)，能做出微浪涌電壓1 000 V以下的性能非常優(yōu)良的產(chǎn)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(jià)格化、大重量，有的達(dá)到50 kg以上，給用戶造成了實(shí)際負(fù)擔(dān)。

　　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(jī)（3.7 kW，400 V），在接線長度為100 m時(shí)、測量電機(jī)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(dá)到1 360 V，相當(dāng)于變頻器內(nèi)部直流電壓680V 的200%。有輸出濾波器的時(shí)候，頂峰值電壓是756 V、相當(dāng)于變頻器器內(nèi)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(dá)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(chǎn)品。其技術(shù)指標(biāo)為相間的微浪涌電壓1 000 V以下，防護(hù)等級(jí)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(chǎn)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(jī)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(nèi)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(jī)的接線端子上降低了電機(jī)接線端子的阻抗，從而減少了阻抗不匹配時(shí)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(shè)計(jì)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(nèi)部的銅線外表進(jìn)行高電阻率材料電鍍，又用高介電常數(shù)材料作絕緣體覆蓋，外表是屏蔽保護(hù)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(chǎn)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(nèi)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(diǎn)

　　只需接到電機(jī)接線端子，即可大幅度減低浪涌電壓；

　　在使用PWM變頻器的時(shí)候，相間電壓可控制到1 000 V以下；

　　不需要追加施工，對已經(jīng)安裝運(yùn)行的設(shè)備，設(shè)置容易；

　　與變頻器容量沒有關(guān)系，都可適用（但是，超過75 kW 的電機(jī)需對應(yīng)設(shè)置）；

　　需配合變頻器和電機(jī)之間的接線電纜長度，規(guī)格有50 m和100 m兩種；

　　適應(yīng)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(jù)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(jī)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(jù)集膚效應(yīng)，浪涌電流集中在導(dǎo)線外表面，因?qū)Ь€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(nèi)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(dòng)。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(jī)、接線長度50 m，和75 kW的電機(jī)、接線長度100 m時(shí)抑制微浪涌電壓的效果。對于3.7 kW的電機(jī)，當(dāng)沒有浪涌抑制組件時(shí)，微浪涌電壓為1 036 V，相當(dāng)于變頻器內(nèi)部的直流電壓540 V的192%；當(dāng)加了浪涌抑制組件時(shí)，50 m電纜的峰值電壓為733 V，相當(dāng)于變頻器內(nèi)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(jī)，當(dāng)沒有浪涌抑制組件時(shí)，微浪涌電壓為1 040 V，相當(dāng)于變頻器內(nèi)部直流電壓520 V的200%；當(dāng)加了浪涌抑制組件時(shí)，電纜的峰值電壓為785 V，相當(dāng)于變頻器內(nèi)部直流電壓520 V得151%。電壓尖峰差距255 V，有49%的抑制效果。

　　4 結(jié)語

　　針對實(shí)際應(yīng)用變頻器時(shí)，產(chǎn)生的微浪涌現(xiàn)象對電機(jī)的危害，介紹了微浪涌抑制技術(shù)及其原理，以實(shí)例對比了不同抑制器的抑制效果，以期引起變頻器生產(chǎn)廠家和用戶對這一問題的關(guān)注。