變頻器輸出距離與電纜長度的關係

06-18

　　1 引言　　變頻器主要用於交流電動機轉速調節，除了具有卓越的調速性能之外，變頻器還有顯著的節能作用，是企業技術改造和產品更新換代的理想調速裝置。但是由於變頻器的自身輸出特性和電纜分布電容的耦合作用，限制了變頻器的輸出距離。　　2 原因分析　　變頻器的輸出到電機的電纜長度受到很多因素的影響，這其中的原因主要有以下幾點：　　（1）分布電容。所謂分布電容，就是指由非電容形態形成的一種分布參數。一般是指在印製板或其他形態的電路形式，在線與線之間、印製板的上下層之間形成的電容。而變頻器輸出距離受限的問題，和電纜的分布電容有密切關係，不只是電容器才有電容，實際上任何兩個絕緣導體之間都存在電容。例如導線之間，導線與大地之間，都是被絕緣層和空氣介質隔開的，所以都存在著電容。圖1為4芯和7芯電纜的等效分布電容結構圖。

　　通常情況下，這個電容值很小（一般在15～30nf/100m左右），電纜長度較短時，它的實際影響可以忽略不計，如果電纜很長或傳輸信號頻率很高時，就必須考慮分布電容的作用。在電纜遠距離敷設系統中，電纜的電容會表現的較為明顯，對控制迴路產生一定的影響，甚至影響控制功能，特別是對於變頻器控制普通低壓電機的控制迴路，故障較多表現為過流、起停失靈等現象，給生產和維護造成很大的安全隱患。由於輸出線上的分布電容和分布電感的共振產生浪涌電壓，將會疊加到輸出電壓上，晶體管、igbt的開關頻率越高，電纜越長，產生的浪涌電壓越高，最高時，可產生直流電壓的兩倍的浪涌電壓。這種情況下，很容易引起過壓過流保護，甚至燒壞模塊。　　分布電容是一種分布參數，其數值不僅隨電纜的生產廠商不同而存在差異，而且會因為電纜的敷設方式、工作狀態和外界環境因素而不同，這需要在設計時綜合考慮。　　（2）變頻器本體輸出問題　　目前，幾乎所有的變頻器都採用pwm（pulse width modulation）脈寬調製技術，但是由於變頻器中的功率開關器件工作在開關狀態，器件的高速開關動作使得電壓和電流在短時間內發生跳變，這使得電壓、電流波形中含有大量的諧波成分，其中高次諧波會使變頻器輸出電流增大，造成電機繞組發熱，產生振動和雜訊，加速絕緣老化，還可能損壞電機；同時各種頻率的諧波會向空間發射不同頻率的無線電干擾，可能導致其它設備誤動作。因此，希望把變頻器安放在被控電機的附近。但是，由於生產現場空間的限制，變頻器和電機之間往往要有一定距離。　　（3）變頻器的功率　　變頻器的功率大小直接決定變頻器輸出到被控電機的電纜長度，變頻器（未接輸出電抗器）功率越大其相應的輸出電纜長度也相應越長。　　以上三方面都會直接影響變頻器輸出到電機的電纜長度，根據以上原因的分析下面具體對改善方法作進一步研究。　　3 改善方案　　3.1 調整載波頻率，減少諧波干擾　　變頻器的載波頻率就是決定逆變器的功率開關器件（如：igbt）的開通與關斷的次數的頻率。　　它主要影響以下幾方面：　　（1）載波頻率對變頻器自身的影響　　功率模塊igbt的功率損耗與載波頻率有關，載波頻率越大，變頻器的損耗越大，輸出功率越小，功率模塊發熱增加。如果環境溫度高，逆變橋上下兩個逆變管在交替導通過程中的死區將變小，嚴重時可導致橋臂短路而損壞變頻器。　　（2）載波頻率對變頻器輸出二次電流的波形影響　　當載波頻率越高時，則電壓波的占空比越大，電流高次諧波成份越小，即載波頻率越高，電流波形的平滑性越好。這樣諧波就小，干擾就小，反之就差；載波頻率越高，變頻器允許輸出的電流越小；載波頻率越高，布線電容的容抗越小（因為xc=1/2πfc），由高頻脈衝引起的漏電流越大。　　（3）載波頻率對電機的影響　　當載波頻率過低時，電機有效轉矩減小，損耗加大，溫度增高，同時輸出電壓的變化率dv/dt增大，對電動機絕緣影響較大；當載波頻率過高時，電機的振動減小，運行噪音減小，電機發熱也減少，但是諧波電流的頻率增高，電機定子的集膚效應更嚴重，電機損耗增大，輸出功率減小。　　（4）載波頻率對其它設備的影響　　載波頻率越高，高頻電壓通過靜電感應，電磁感應，電磁輻射等對電子設備的干擾也越嚴重。　　在實際使用中要綜合以上各點，合理選擇變頻器的載波頻率。一般電動機功率越大，載率選得越小。　　3.2 輸出端加共模扼流圈　　共模扼流圈也叫共模電感，是在一個閉合磁環上對稱繞制方向相反、匝數相同的線圈。共模電感實質上是一個雙向濾波器：一方面要濾除信號線上共模電磁干擾，另一方面又要抑制本身不向外發出電磁干擾，避免影響同一電磁環境下其他電子設備的正常工作。　　共模扼流圈可以傳輸差模信號，直流和頻率很低的差模信號都可以通過，而對於高頻共模雜訊則呈現很大的阻抗，所以它可以用來抑制共模電流干擾。　　3.3加裝輸入、輸出電抗器　　在變頻器的輸入側可加以下選件：　　（1）進線電抗器，輸入電抗器可以抑制諧波電流，提高功率因數以及削弱輸入電路中的浪涌電壓、電流對變頻器的衝擊，削弱電源電壓不平衡的影響，一般情況下，都必須加進線電抗器。　　（2）輸入emc 無線電干擾濾波器，emc 濾波器的作用是為了減少和抑制變頻器所產生的電磁干擾。　　在變頻器的輸出側可加以下選件：　　（1）輸出電抗器，當變頻器輸出到電機的電纜長度大於產品規定值時，應加輸出電抗器來補償電機長電纜運行時的耦合電容的充放電影響，避免變頻器過流。輸出電抗器有兩種類型，一種輸出電抗器是鐵芯式電抗器，當變頻器的載波頻率小於3khz時採用。另一種輸出電抗器是鐵氧體式，當變頻器的載波頻率小於6khz時採用。　　（2）輸出dv/dt電抗器，輸出dv/dt電抗器是為了限制變頻器輸出電壓的上升率，削減輸出諧波分量，防止過壓保護電纜，減小電機雜訊，來確保電機的絕緣正常。　　（3）正弦波濾波器，隨著變頻器輸出距離的問題的不斷研究，各廠商推出了用於變頻器的輸出濾波器。正弦波濾波器是用在變頻器輸出端，它可以改善變頻器輸出波形，使變頻器的輸出電壓和電流近似於正弦波，減少電機諧波疇變係數和電機絕緣壓力。與輸出電抗器、dv/dt濾波器相比較，正弦波濾波器末端有一級電容濾波電路，使變頻器輸出波形接近正弦波。　　下面介紹這種全新濾波技術，與傳統濾波器的布局技術相比，新的正弦濾波器可同時實現三個功能：把相位對相位電壓轉變為正弦信號、抑制共模電流和把導體到地電壓變成正弦波電壓。圖2為正弦輸出濾波器的安裝位置示意圖。

　　正弦濾波器主要有以下部分組成：高頻輸出電抗器、rc迴路、共模電抗器等組成，原理如圖3所示。

　　變頻的輸出是等幅不等寬的脈衝序列。由於變頻器輸出的電壓波形不是正弦波，波形中含有大量的諧波成分，如圖4所示，為變頻器的輸出電壓波形圖，在使用正弦濾波器之後，波形將近似與正弦波，如圖5所示。

　　從圖4、圖5可以看出，變頻器的輸出端加裝正弦濾波器後，輸出接近正弦波，可以明顯改善輸出的諧波含量，減少了渦流損耗，經過測試，變頻器加裝正弦濾波器之後的輸出到電機的最長電纜長度可以達到1000m。　　變頻器輸出濾波器技術與傳統的濾波器技術相比，可以同時將相間電壓轉換成正弦信號，抑制共模電流，還可將導體對地電壓變成正弦電壓波形。它具有各種優點，例如，由於對電機繞組有害的電壓峰值被抑制，軸承電流減少到可以忽略的水平，電機的使用壽命得以大大提高。　　4 結束語　　變頻器輸出距離的問題一直是一個很難完全解決的問題，本文通過對變頻器和電纜等可能存在導致輸出距離受限的原因進行了分析，並提出了一些切實可行的解決方法，對於實際工程應用具有參考意義。