長電機(jī)電纜對變頻器和電機(jī)的影響及對策-2021年論文

長電機(jī)電纜對變頻器和電機(jī)的影響及對策摘要當(dāng)交流電機(jī)直接掛工頻電網(wǎng)運(yùn)行時，如果電纜比較長，需要考慮的主要是供電電壓和電纜線徑，用以保證電機(jī)的端電壓和出力。而當(dāng)電機(jī)由變頻器來驅(qū)動時，除長電纜引起的線損外，還有些事項需要謹(jǐn)慎處理。比如，長電機(jī)電纜將在電機(jī)端子上產(chǎn)生瞬間過壓，從而對繞組絕緣的壽命產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，嚴(yán)重時將導(dǎo)致電機(jī)的絕緣失敗。凡此種種，如果在規(guī)劃、設(shè)計和實施階段忽略這個問題，沒有采取合適的應(yīng)對措施，發(fā)生事故后則難以補(bǔ)救，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。本文擬對長電機(jī)電纜對變頻驅(qū)動系統(tǒng)造成的損害作深入淺出的探討，并提出指導(dǎo)性的建議。引言在工業(yè)環(huán)境中，變頻器帶來的靈活控制、節(jié)能增效和低成本維護(hù)已經(jīng)不容質(zhì)疑，這里不再贅述。然而，如果對變頻驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)果、原理和應(yīng)用沒有足夠的認(rèn)識，則會出現(xiàn)錯誤和損失。譬如，由于應(yīng)用場合的需要，當(dāng)變頻器與電機(jī)之間采用長電纜連接時，電機(jī)和電纜的絕緣容易受到威脅，最終導(dǎo)致電機(jī)本身的損壞。比較常見的有潛水泵、潛油泵、礦井提升機(jī)、皮帶機(jī)、翻車機(jī)、盾構(gòu)機(jī)、隧道通風(fēng)機(jī)等。為了理解問題的實質(zhì)和選擇最佳的處理方案，首先必須了解變頻器和電機(jī)的技術(shù)特性。變頻器首先通過整流橋?qū)⒔涣麟娫措妷海ˋC）轉(zhuǎn)換為直流電壓（DC）。直流電壓含有電壓紋波，通過儲能電容平滑。這部分通常被稱為整流電源部分。接著，該直流電壓又被轉(zhuǎn)換成大小和頻率可調(diào)的三相交流電壓（見圖1），這個過程稱為逆變，這部分通常被稱為逆變器，是變頻器的核心。逆變由電力電子功率器件來實現(xiàn)。其輸出電壓以高頻反復(fù)通斷，但是其導(dǎo)通的時間占比，或者稱為脈寬被以既定的規(guī)律連續(xù)調(diào)制（稱為PWM），從而獲得的波形的效應(yīng)接近于正弦波。電力電子技術(shù)的發(fā)展提高了開關(guān)頻率，同時降低了損耗。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）作為電力電子器件的佼佼者，其開關(guān)頻率可達(dá)16KHz，供給電機(jī)的交流輸出頻率則可達(dá)1KHz以上，是當(dāng)前逆變功率器件的絕對主角。圖1變頻器結(jié)構(gòu)示意圖一般說來，開關(guān)頻率越高，輸出給電機(jī)的電流的紋波含量越低。為了補(bǔ)償損耗，IGBT的開關(guān)（切換）極快，可達(dá)1微秒以內(nèi)。但是，高速切換與電機(jī)之間的長電纜耦合的結(jié)果卻造成電機(jī)端子的瞬間過壓。事實上，過壓的幅值經(jīng)常能超過變頻器直流母線電壓的兩倍（見圖2），這是導(dǎo)致電機(jī)繞組絕緣擊穿的根源。圖2長電機(jī)電纜會導(dǎo)致過壓和過流過壓和過流對驅(qū)動系統(tǒng)的影響包括：對變頻器的影響變頻器過流的主要風(fēng)險是短路故障（SCF）。由切換帶來的峰值電流通過變頻器的電流傳感器讀取到微處理器，到一定幅度后會引發(fā)變頻器報短路或接地故障。容性峰值電流的另外一個后果就是IGBT的額外溫升，它也跟開關(guān)頻率有關(guān)：開關(guān)頻率越高，峰值電流的次數(shù)頻度越高，IGBT的結(jié)損耗越大。此溫升對變頻器的壽命也有顯著的影響。對電控柜的影響變頻器的輸出電壓在長電機(jī)電纜的作用下會產(chǎn)生高頻對地環(huán)流，從而干擾接到同一網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備。比較常見的結(jié)果是位于變頻器上游的剩余電流檢測設(shè)備RCD的意外脫扣。另外，流過電機(jī)電纜的高頻電流也會產(chǎn)生高頻輻射，對周圍的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。對電機(jī)的影響電機(jī)端子上的過壓表現(xiàn)在兩相繞組之間能夠產(chǎn)生局部放電，加劇繞組絕緣的老化。嚴(yán)重時導(dǎo)致電機(jī)的絕緣擊穿。注意允許的過壓取決于電機(jī)的絕緣水平（見圖4）。最終用戶和設(shè)計院經(jīng)常低估上述一些現(xiàn)象，所以沒有采取對應(yīng)的措施。雖然省去額外的設(shè)備和選件短期內(nèi)節(jié)省了成本，但是長期看來，這種短視的設(shè)計會引起電機(jī)的損壞，或者使整個系統(tǒng)造成癱瘓。在自來水廠或電廠等關(guān)鍵的應(yīng)用上，這種風(fēng)險的程度是不能接受的。長電機(jī)電纜的邊緣效應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中，若電機(jī)電纜的長度超過10米，即會發(fā)生過壓的現(xiàn)象。電機(jī)電纜越長，發(fā)生的過壓越嚴(yán)重（見圖3）。若使用屏蔽電纜則負(fù)面效應(yīng)還會被放大。變頻器輸出的電壓上升時間，經(jīng)常被指為dV/dt，越高的開關(guān)頻率，將產(chǎn)生越大的瞬間峰值電流，這就是寄生電容的后果（發(fā)生在兩個導(dǎo)體之間，比如電機(jī)或電機(jī)電纜，導(dǎo)體之間距離很近，并且具有電位差。它們就像電容一樣，受對方電場的影響，儲存有相反極性的電荷）。這種性質(zhì)的瞬間電流會增加變頻器、電纜以及電機(jī)的損耗。圖3變頻器與電機(jī)的電纜越長，電機(jī)端子上的峰值電壓越高各種類型的電機(jī)允許的電壓和電流，最常見的IEC和NEMA標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范，以及指導(dǎo)線在圖4中重點(diǎn)標(biāo)出。允許的過壓取決于電機(jī)絕緣水平。相關(guān)的IEC和NEMA標(biāo)準(zhǔn)包括：?IEC60034-17由變頻器供電的通用電機(jī)限制線，500V電機(jī)?IEC60034-25變頻器專用電機(jī)的限制線：曲線A對應(yīng)500V電機(jī)，曲線B對應(yīng)690V電機(jī)?NEMAMG1變頻器專用電機(jī)圖4不同類型電機(jī)的電壓限制線對特別關(guān)鍵的應(yīng)用，需要指定符合IEC60024-25等級B或NEMA600V的電機(jī)。變頻器驅(qū)動的電機(jī)，為了降低電機(jī)絕緣故障的風(fēng)險，需要強(qiáng)制規(guī)定符合IEC60034-25B或NEMA400。使用變頻器的另一個負(fù)面影響是電機(jī)軸承的剝蝕。這是由逆變器產(chǎn)生的共模電壓引起，共模電壓產(chǎn)生高頻電流進(jìn)入電機(jī)的軸承。取決于電機(jī)的類型，以及軸承是否隔離，三種不同類型的共模電流在電機(jī)內(nèi)形成回路：1．一個回路流經(jīng)定子、繞組和電機(jī)軸。這種情形，感應(yīng)電流在軸承周圍流過兩次。2．一個回路流經(jīng)繞組和通過負(fù)載連接到地的電機(jī)軸承之間的寄生電容。脈沖電容電流流到變頻器側(cè)的軸承。3．一個回路流經(jīng)定子、轉(zhuǎn)子繞組、機(jī)殼和軸承之間的電容。在這種情形中，機(jī)殼正確地接地，軸承電流與共模電壓的大小成正比。軸承電流的產(chǎn)生源于電容的靜電放電。預(yù)防措施為了限制過壓和電流峰值的影響，需要評估幾種方案的效果。具體采取哪種方案由具體應(yīng)用環(huán)境決定。?軟件保護(hù)逆變有一種“雙轉(zhuǎn)換”現(xiàn)象存在。它出現(xiàn)在電機(jī)的一相從負(fù)轉(zhuǎn)向正的直流母線電壓，同時另一相從正轉(zhuǎn)向負(fù)的直流母線電壓，這時，相間的瞬間電壓可能會超過直流母線電壓的兩倍。有些變頻器內(nèi)集成有非常實用的過壓抑制的軟件功能。這種先進(jìn)的電機(jī)控制算法可以有效地避免“雙轉(zhuǎn)換”現(xiàn)象。圖5軟件功能對防止“雙轉(zhuǎn)換”現(xiàn)象的影響如果PWM脈沖的周期相對于電纜的時間常數(shù)很短，那就會引起反射波的疊加，從而產(chǎn)生超過兩倍直流母線電壓兩倍的過壓。最新一代的變頻器技術(shù)（ATVProcess/ATV61/71/32）通過設(shè)置兩個PWM脈沖波之間的間隔限制可以避免電壓反射波的疊加，如圖5所示。雖然設(shè)置這個時間間隔限制有時會略微降低變頻器的性能（轉(zhuǎn)矩降低3%），在正常的情況下，系統(tǒng)的總體性能還是能夠保障的。?輸出電抗器電抗器又稱為扼流圈，能夠阻止電流的快速變化，一般安裝在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中用于限制起動電流，或者安裝在變頻器的整流回路中，用于抑制電流諧波。如果將電抗器安裝在變頻器的輸出側(cè)，也能起到保護(hù)變頻器和電機(jī)的作用。機(jī)理是：電機(jī)電抗器與電機(jī)電纜的寄生電容相作用，可以降低dv/dt和峰值電壓。其實際效果與電纜的類型和長度有關(guān)。需要注意的是，如果選的電感參數(shù)不合適的話，理論上會拉長超調(diào)（信號超過目標(biāo)值）的寬度。從保護(hù)電機(jī)和降低過流對變頻器的影響的目的出發(fā)，輸出dV/dt濾波器倒是最經(jīng)濟(jì)有效的方案。該濾波器降低dV/dt，從而降低相間及相地的容性漏電流。同時，該濾波器對抑制過壓也有一定的作用。這種濾波器適用面很廣，適用于各種電機(jī)和電纜（不管電纜的類型和長度），沒有副作用，推薦用于特殊的電機(jī)或者電機(jī)的規(guī)格不甚清楚的情況。?正弦波濾波器經(jīng)過專門設(shè)計的低通濾波器（一種電子濾波器，能通過低頻信號卻阻止高于截止頻率的信號），稱為正弦波濾波器，能夠?qū)⒏哳l電流旁路掉。結(jié)果使得電機(jī)端子上的電壓波形成為純粹的正弦波。差模正弦波濾波器能夠完全抑制過壓效應(yīng)，降低電磁兼容性（EMC）干擾。如果正弦濾波器與共模濾波器一起使用，就能有效地抑制軸承電流（見圖6），降低對電網(wǎng)的傳導(dǎo)性EMC干擾。兩種濾波器的組合為變頻器到電機(jī)的連接問題提供了最為可靠的方案。這種方案對于超長電機(jī)電纜是最有效的，也不需要使用屏蔽電纜。圖6正弦波濾波器工作原理圖應(yīng)用特例有些應(yīng)用場合受長電機(jī)電纜問題的困擾尤其嚴(yán)重。比如，對于提升應(yīng)用，電機(jī)有差不多一半的時間工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)（制動模式），再生能量通過逆變器的續(xù)流二極管流回到中間直流母線，從而使得直流母線電壓升高15-20%，所以，電機(jī)電壓的峰值也有相同幅度的拉高。這種情況就如同將電網(wǎng)電壓被抬高了20%。本來供電電壓為400V的應(yīng)用，在這種情況下必須按照480V的供電電壓來提供保護(hù)。另外，如果變頻器后面并聯(lián)幾臺電機(jī)的話，等效的電纜長度應(yīng)考慮所有電纜的長度之和。比如，單臺變頻器后面同時并聯(lián)帶了三臺電機(jī)，每臺電機(jī)的電纜長度是20米，則規(guī)劃變頻器與電機(jī)之間的保護(hù)措施時，電纜長度不能按20米算，而應(yīng)該按60米算。還有，當(dāng)為了計算電纜長度以防止過壓時，屏蔽電纜的長度應(yīng)等效算作非屏蔽電纜的兩倍。例如，假設(shè)一根屏蔽電纜的真實長度為100米，那么實際計算時應(yīng)該按200米的標(biāo)準(zhǔn)電纜來考慮。表一根據(jù)電機(jī)性質(zhì)和電纜長度推薦的預(yù)防措施結(jié)論當(dāng)變頻器驅(qū)動電機(jī)時，快速切換的IGBT遇到長電機(jī)電纜時，能夠在電機(jī)端子上產(chǎn)生超過兩倍于直流母線電壓的峰值電壓。極端的情況下，高峰值電壓能夠加快電機(jī)電機(jī)繞組絕緣的老化，從而導(dǎo)致整臺電機(jī)的失敗。為了保證電機(jī)的使用壽命，推薦幾條建議：1）選用專門設(shè)計用于變頻器的電機(jī)（符合標(biāo)準(zhǔn)IEC60034-25B或NEMA400）;2）選用的變頻器集成抑制反射電壓疊加的軟件；3）盡量縮短比變頻器