變頻器遠距離輸電的問題與改進措施

1、變頻器遠距離輸電的問題與改進措施摘要：隨著電力電子技術及新型半導體器件的迅速發(fā)展，功率器件的開關頻率 大大提高，是變頻器輸出脈沖電壓的上升時間大大縮短，發(fā)現(xiàn)其帶來一些顯著的 負面影響。在實際應用中，變頻器和電動機的安裝位置往往不在同一個地方，這就需要 長線電纜將變頻器輸出的PWM脈沖電壓信號傳輸?shù)诫妱訖C端，然而在變頻器經(jīng) 長線電纜供電電動機時，由于電纜和電動機特性阻抗不匹配，將在電動機端發(fā)生 脈沖電壓波反射，產(chǎn)生過電壓，高頻阻尼震蕩，加劇電動機繞組的絕緣壓力。此 外，當 PWM 變頻器輸出脈沖電壓的脈寬很小時，將在傳輸線上發(fā)生雙脈沖效應 和極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，是電動機端產(chǎn)生更嚴重的過電壓，縮短電動機

2、的使用壽命。因 此，研究PWM變頻器產(chǎn)生的負面效應及解決方法具有極其重要的理論意義和使 用價值。關鍵詞：變頻；傳輸線；特性阻抗；過電壓引言隨著電力電子和自動控制的發(fā)展，變頻技術也取得了長足的進步，變頻器中 所使用的電力電子器件也向著高效、高度集成以及高頻開關的頻率方向發(fā)展；最 常見的IGBT型變頻器來說，IGBT開關頻率已經(jīng)高達220KHZ，這樣高的開關頻率 對變頻器性能方面而言是很可觀的，再加上 PWM 控制技術，能夠降低諧波污染 提高功率因數(shù)同時還可以改善電動機的啟動轉(zhuǎn)矩，使其更加平穩(wěn)，在波形輸出方 面更加接近正弦波，基波成分增大，因此得到廣泛應用。盡管有著上述的各種優(yōu)點，但它的負面效應也

3、不容忽視；首先，功率開關管 在導通和關斷的瞬間，典雅灰從零點快速上升以及從高點迅速下降到零點，在這 個瞬間時間是很短的，因而在時間方向上的變化率就很大，會產(chǎn)生電壓或電流的 浪涌，對變頻驅(qū)動電機產(chǎn)生沖擊。例如變頻器功率開關管為IGBT，du/dt就會達 到20KV每繆秒；除了峰值浪涌還有電磁干擾（EMI），產(chǎn)生原因是由于輸出的脈 沖頻率高，脈寬窄，波形陡直，前后延上會有尖峰波，這些尖峰波就是電磁干擾 的原因，會產(chǎn)生高達幾百甚至幾兆赫茲的高頻電流，按照電磁感應原理，會產(chǎn)生 輻射磁場，因而形成高頻帶的 EMI。在一些生產(chǎn)場所中，變頻器和電動機距離較遠，這就需要通過長電纜把他們 連接在一起；因此長電纜

4、造成的問題就來了，電纜中分布的電感和電容，兩者經(jīng) 過計算得到電纜波阻抗，當電纜波阻抗和電機等效阻抗不匹配時，電壓信號就會 產(chǎn)生反射，這樣電壓波就分為兩部分，一部分為原來的前進波，另一部分就是反 射波，兩者相互疊加就會使電動機端電壓加倍，這樣產(chǎn)生的不利影響就是電動機 和電纜的絕緣上限升高，存在安全隱患。此外，普通型的 PWM 變頻器因其調(diào)制時會產(chǎn)生零序電壓，高頻零序電壓通 過電機繞組中的電容等會產(chǎn)生高頻零序電流，電流流經(jīng)電機軸承，會損壞軸承。 若變頻器三項電壓不平衡會產(chǎn)生共模電壓，同樣會損害電機絕緣造成軸承損壞； 變頻器驅(qū)動交流電機，若輸出波形為非正弦波形，會使電機因中高頻波成分而增 加損耗，造

5、成電機發(fā)熱，降低效率。正文：1、PWM 脈沖電壓波反射過電壓的抑制對策高頻 PWM 變頻器驅(qū)動交流電動機長線電纜傳輸時，由于電動機特性阻抗與 電纜特性阻抗不匹配，將會在電動機端發(fā)生波形疊加，有次會在電動機端波反射 過電壓，高頻阻尼振蕩現(xiàn)象。由此可見，解決電動機端過電壓的方法是使電動機 特性阻抗和電纜特性阻抗盡可能相匹配，一種方法是通過加強電動機絕緣強度或 者采用較大特性阻抗的電纜，盡管這樣可以減小電動機端的波發(fā)射系數(shù)，從而降 低電動機端過電壓，但是這樣會增加電動機和電纜的成本以及制造的復雜性，榆 次同時還會增加電纜上的損耗，另一種方法是改變電動機繞組采用阻抗較小的導 線來繞制以降低電動機特性阻

6、抗，但這樣使得電動機設計難度增大，難以普及。常見波反射過電壓的抑制方法 目前，對于常規(guī)波反射過電壓的抑制方法大多數(shù)采用無源濾波技術來解決， 接在電動機端的無源濾波器稱為電動機端濾波器，若是接在變頻器輸出端則稱為 變頻器輸出濾波器。1.1.1 電動機端濾波器1、一階 RC 電動機端濾波器在電動機端子上安裝 RC 一階阻尼濾波器可以很好地抑制高頻振蕩的過電壓， 原理是：濾波器的R和C對電動機端電壓的波形的影響對于陡上升沿的過電壓波 形來說，濾波器的電容可以被認為零波阻抗，相當于電路，如果取濾波器電阻的 阻值與電纜的波阻抗相等，而電動機的波阻抗又遠遠大于濾波器的阻值，則負載 阻抗近似于電阻值，這樣一

7、來電纜末端的負載阻抗與電纜的波阻抗想匹配，從也 就不會形成過電壓。變頻器輸出濾波器 上面說的電動機端濾波器，可以有效的抑制過電壓，然而在許多場合電動機端子無法接近，那么也就無法在電動機端進行濾波，因此還有另外一種變頻器輸 出濾波器，下面介紹二階RLC型變頻器端輸出濾波器。下圖就是一種常傳統(tǒng)的變頻器輸出濾波器，其作用是設法延長變頻器輸出的 PWM 脈沖電壓的上升時間，并使脈沖上升時間超過反射振蕩的臨界值，從而減 小脈沖很高的du/dt,甚至可以將變頻器輸出的PWM脈沖電壓信號濾成近似正弦 波，成為正弦濾波器，從而可以抑制反射過電壓，是電動機繞組的絕緣應力大大 減小。變頻器輸出電抗抑制波反射過電壓

8、措施 在變頻器輸出端加電抗器，既可以減小變頻器輸出電壓脈沖的上升速度，又可以改善電動機端電壓的特性，理論和研究表明在 PWM 變頻器驅(qū)動系統(tǒng)中，電 動機端過電壓、定子繞組內(nèi)的電壓分布不均勻以及電動機軸承電流的產(chǎn)生一個共 同原因是 PWM 變頻器輸出脈沖具有很高的 du/dt 前后沿， IGBT 的上升時間很短 這就是 PWM 驅(qū)動系統(tǒng)電動機損壞的一個原因，因此，要有效的解決尚需問題我 們可以減小變頻器輸出電壓的du/dt，要實現(xiàn)這個目的，最直接有效的方法就是 在變頻器輸出端加裝電抗器，變頻器輸出的脈沖電壓在經(jīng)過電抗器后減緩了電源 端輸出的電壓的上升速度，是的脈沖上升沿時間為1 微妙以上，從而使

9、得電動機 端電壓峰值大幅降低，因此可以有效的解決電動機端出現(xiàn)的波反射過電壓和阻尼 振蕩現(xiàn)象。結(jié)論高頻 PWM 脈沖電壓波沿長線電纜供電電動機時，由于電纜和電動機特性阻 抗不匹配，將在電動機端產(chǎn)生過電壓、高頻阻尼振蕩現(xiàn)象，其過電壓幅值接近變 頻器兩倍的直流側(cè)電壓幅值，當變頻器輸出的PWM脈沖電壓很小時，在傳輸線 上發(fā)生雙脈沖效應和極性反轉(zhuǎn)，其過電壓幅值將出現(xiàn)超兩倍幅值現(xiàn)象。通過前面的分析，得出以下結(jié)論：1、PWM 脈沖過電壓沿長線電纜供電電動機時，將發(fā)生行波反射，在電動機 端產(chǎn)生過電壓阻尼振蕩。這種過電壓阻尼振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生與 PWM 脈沖上升時間 電纜長度、電纜分布參數(shù)、以及負載特性阻抗等參數(shù)有

10、關。2、變頻器輸出的 PWM 脈沖上升時間越短，其發(fā)生波反射越明顯，從而電動 機端過電壓就越嚴重。3、當電纜長度超過臨界值時，隨著電纜長度的增加，電動機端過電壓就越 嚴重，振蕩周期就越長。4、當電纜分布參數(shù)變化時，電纜的特性阻抗也就變化，從而影響波反射系 數(shù)，當電纜長度一定時，電纜分布電感越大，其特性阻抗就越大，反射系數(shù)就越 小，電動機端過電壓就越小，振蕩周期越長。5、當變頻器輸出 PWM 電壓脈沖寬度很小時，在傳輸線路上將發(fā)生雙脈沖效 應的干擾。這種情況下在電動機端產(chǎn)生超兩倍幅值的過電壓。6、當變頻器輸出的任意兩相電壓脈沖非?？拷覙O性相反時，在傳輸線路 上將發(fā)生極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，此時在這種情況

11、下，電動機端也會產(chǎn)生超兩倍幅值的過 電壓。本文針對波反射過電壓等問題，考慮采用兩種加裝濾波器抑制過電壓的方法， 即一階RC電動機端濾波器和二階RLC變頻器輸出端濾波器。然而這兩種濾波器 中都含有電阻，將在電阻上產(chǎn)生損耗，降低系統(tǒng)的效率，有考慮散熱問題，同時 增加了設計難度和制造成本，最后提出采用加裝變頻器輸出電抗器的方法來抑制 波反射過電壓。參考文獻【1】滿永奎、通用變頻器及應用。北京：機器工業(yè)出版社， 1995【2】陳國呈、PWM變頻調(diào)速技術。北京：機器工業(yè)出版社，1998 【3】馬洪飛，徐殿國，陳希有、 PWM 逆變器驅(qū)動異步電動機采用長線電纜 時電壓反射現(xiàn)象的研究。中國電機工程學報， 2001【4】吳廣寧，周凱，高波、變頻電機絕緣老化機理及表征。北京：科學出 版社， 2009【5】張遠金、變頻調(diào)速給電動機帶來的問題及其解決辦法。變頻世界，