变频器的微浪涌电压抑制技术

0 引言
　　随着世界性的环境保护意识的提高和节能要求的迅速发展，特别是在工业用电机控制中，以电力半导体组件组装的变频器正成为应用的主流。
　　但当变频器和电机之间的接线距离很长时，电机接线端因变频器的高速开关过程引起的微浪涌电压，给电机的绝缘带来影响，造成电机损伤。这里把浪涌称为微浪涌是为了区别于雷电等突发的强大浪涌，微浪涌从示波器上看是密集的、连续存在的、很窄的尖峰电压。
　　本文对微浪涌电压的发生机理及其对电机的影响作了分析，介绍了抑制微浪涌电压的技术，以及最近出现的衰减微浪涌电压的产品和采用细线径传输为特征的微浪涌抑制组件的工作原理等。
1 微浪涌电压的发生机理
　　1.1 变频器的输出电压波形
　　变频器主要由把交流市电整流成直流的整流器、平滑电压脉动的电容器、6 个开关器件构成的逆变器所组成。如图1 所示，逆变器部分输出由改变脉冲宽度（PWM 波）形成的等效正弦波交流电压去驱动电机。近几年的变频器为了使电机低噪音化，逆变部分的开关器件采用IGBT进行着高速开关动作。因此，在PWM 波的每个脉冲上升和下降时，即开关时间以非常短的时间驻t=0.1~0.3 滋s切换着的时候，使逆变器内部的直流电压Ed（400 V电力系统用逆变器的Ed=600 V左右）因切换所形成的电压变化率dv/dt变得很大，这是产生微浪涌的主要根源之一。
　　1.2 微浪涌电压
　　微浪涌电压是变频器和电机之间的接线长度很长时，在电机接线端产生的极细的尖峰浪涌电压。如图2所示，逆变器的输出电压是脉冲状，在电机接线端子上发现在脉冲状的波形上又叠加了微浪涌电压尖峰。一般情况下，微浪涌电压的尖峰值将会是逆变器内部的直流电压的2 倍。
　　1.3 阻抗不匹配形成的反射
　　变频器的输出脉冲上升或下降时间很短，是叠加在变频器输出给电机的驱动频率（基波）及脉冲调制频率（调制波）之外的高频成分。一般情况下，变频器与电机连接电缆的阻抗ZL是50~100 赘，而电机本身的阻抗ZM，一般数百kW的电机也都超过1 k赘，是电缆阻抗的10 倍以上。这样，在电机的接线端子上将发生阻抗的不匹配现象，造成高频波成分的反射。在不匹配阻抗连接处的反射系数M为
           
　　变器的输出脉冲同一极性、几乎同一大小的反射波，叠加后成为微浪涌尖峰电压。图3 形象地表示了反射的情况，微浪涌电压就像海浪遇到障碍一样被抬得很高。图4 表示实际电缆和电机的阻抗差别，一般电机的阻抗是电缆特性阻抗的10 倍以上，所以反射总是存在。

 

 

 

　　1.4 微浪涌发生的实例
　　
　　某一变频器和电机额定值都是AC 400 V输入、功率3.7 kW，运行电网电压AC 460 V，输电电缆长度50 m。空载条件下，测量出变频器内部直流中间电压为620 V，用示波器看到的电机接线端子上的微浪涌波形如图缘所示，图中，微浪涌电压值高达直流1 250 V，这对电机绝缘产生破坏并加速其老化。

 

　　测量变频器与电机间不同布线电缆长度时的微浪涌电压如图6 所示，这是在IGBT 调制频率2 kHz，脉冲上升时间驻t=0.1 滋s 的常见条件下的测量值，可以看到电缆长度超过100 m后，微浪涌电压保持在变频器内部直流电压2 倍的水平不变。而电缆长度超过20 m就要重视微浪涌电压可能已经超过变频器内部直流电压1.8 倍的情况。

 

2 微浪涌电压对电机的影响
　　电机内部的断面如图7 所示。电机有定子和转子，定子内有安放三相线圈的槽。如果放大槽的内部，可以看到有许多的线圈（漆包线），各线圈对地之间、各相之间、线匝相互之间都有绝缘存在。通常对地、相间都有绝缘纸插入，而线匝之间没有绝缘纸插入，它利用坚固的漆包线的漆层获得绝缘。微浪涌电压给这些绝缘全部带来影响，这些绝缘损坏之中，线圈匝间损坏最多。表1 列出了有关电机内部各绝缘部分承受的电压值，也称为电压应力，提供了用市电电源驱动电机和用变频器驱动时相比较的资料。

 

 

　　2.1 对线圈匝间的绝缘破坏
　　浪涌电压渗入电机内部的时候，线圈匝间究竟加上多少电压，模拟结果如图8所示。该模拟是将测量点放在电机的每一线圈上（电机槽内的漆包线圈上），在U-V之间加上上升时间0.14 滋s 的浪涌电压的测量的结果。U-S1之间是第1 线圈分担的电压，测得它分担了全电压65豫耀75%，而别的线圈S1-S2、S2-S3、S3-V 之间分担了10豫耀20%，这是因为电机内部的阻抗大，微浪涌电压在逐渐衰减。[page]
　　在电机的制造过程中，漆包线线圈的起头到末尾完全分离不易做到，多数情况下是乱绕的，槽里边线头和线尾可能紧挨着。如果这样就会发生线匝之间由于微浪涌电压的电晕放电（局部放电）。那怕放电部分时间极其短促，局部也会达到10 000益，高温使绝缘逐渐地侵蚀，过些时间之后绝缘就会被破坏。如图9 所示为直径0.85 mm、漆皮厚33 滋m、F 级绝缘、155益漆包线的寿命特性。

 

 

　　寿命特性水平轴表示施加破坏脉冲次数和破坏时间；纵座标轴表示破坏电压，两条曲线分别表示漆包线在温度20益和155益两种条件下测量的结果。
　　寿命特性用斜率不同的两条线表示，两条线连接的地方叫做局部放电起始电压。斜率陡险的部分，是确实发生了放电的区域，2 小时内漆包线遭到破坏。斜率缓慢的区域极少发生局部放电。按照这一结论，如果控制住第1 线圈局部放电起始电压，就不发生微浪涌电压的绝缘破坏。另外，如果相间（U-V 之间）控制在1 000 V以下、上述的第1 线圈的电压分担率控制在750 V 左右，就能够确保20 年的寿命。
　　2.2 由于微浪涌所造成电机损坏的真实情况
　　在日本，随着变频器的普及，电机厂家强化了电机的绝缘，多数把绝缘水平做到超过1 200 V以上。JEMA（日本电机工业会）的技术资料显示在1989耀1993 年的5 年间，根据对电机发货台数统计的微浪涌的损坏事例在0.013% ，即非常低的概率。不过长期使用绝缘老化的旧电机和被认为绝缘水平低的电机，绝缘破坏的危险性还是较高。另外，根据近几年的电源的高次谐波对策和对以升降机的回生能量为目标的高功率因数电源推广应用，所设置PWM 变频器系统不断增加。PWM变频器的回生能量为了送回市电电源，让直流中间电压上升到较高值是必要的关键，其结果是由于微浪涌电压引发绝缘破坏的可能性正在增加。在中国和其它AC 440~380 V地区，市电电压是日本市电电压的2倍，因此，微浪涌电压的危害更加显著。
3 微浪涌的抑制技术
　　鉴于上述原因，各变频器厂商致力于克服微浪涌问题，开发和销售各种各样对微浪涌进行抑制的产品。
　　3.1 输出电路用的滤波器
　　输出电路用滤波器由输入输出接线端子、电阻、电容器、电抗器所构成，如图10 所示，其中电抗器是非常重的部件。作为主要的指标，相间的微浪涌电压为1 000 V以下，变频器和电机之间的接线长度为400 m，产品的系列到达500 kW，防护等级为IP00。
　　3.1.1 工作原理
　　输出滤波器的工作原理如图11所示。微浪涌电压是变频器输出脉冲上升时间出现的dv/dt 过大所引起，又由于阻抗不匹配被反射而发生。因此输出电路使用滤波器，用于抑制dv/dt，也就是抑制了高频成分因阻抗不匹配而造成的微浪涌。所以输出滤波器是dv/dt抑制型滤器，这种滤波器在变频器的调制频率为15 kHz、接线长度为400 m时，能做出微浪涌电压1 000 V以下的性能非常优良的产品。不过，这种方式的滤波器为了让逆变器的输出电流通过电抗器，不得不做成大容量，造成滤波器的大型化、高价格化、大重量，有的达到50 kg以上，给用户造成了实际负担。

 

 

　　3.1.2 抑制效果
　　图12 显示了供电电源440 V，功率为3.7 kW的变频器供电给电机（3.7 kW，400 V），在接线长度为100 m时、测量电机接线端子U-V 之间的微浪涌电压的抑制效果。在没有输出滤波器的情况下，微浪涌电压达到1 360 V，相当于变频器内部直流电压680V 的200%。有输出滤波器的时候，顶峰值电压是756 V、相当于变频器器内部的直流电压680 V的111%，它和没有输出滤波器的顶峰电压差距有604 V，抑制效果达89%。

 

　　3.2 浪涌抑制组件
　　图13 所示为浪涌抑制组件的外观。和输出滤波器相比，浪涌抑制组件是小型化的产品。其技术指标为相间的微浪涌电压1 000 V以下，防护等级为IP20。浪涌抑制组件是对变频器的容量不需要选择，而接线距离需要选择的产品。另外，接线方法非常简单，只需要把浪涌抑制组件的输入电缆接到电机接线端子U、V、W上。

 

　　3.2.1 工作原理
　　浪涌抑制组件的工作原理如图14 所示。浪涌抑制组件内部卷绕的浪涌抑制线具有和电缆线的阻抗ZL相同的阻抗，因此接到电机的接线端子上降低了电机接线端子的阻抗，从而减少了阻抗不匹配时的反射波。通常高频波成分在电缆线上的阻抗ZL是50耀100 赘，设计的浪涌抑制线的阻抗ZS是50~60欧。[page]

 

　　浪涌抑制线的断面图如图14 所示。浪涌抑制线用直径1.2 mm 的线做成，内部的铜线外表进行高电阻率材料电镀，又用高介电常数材料作绝缘体覆盖，外表是屏蔽保护的同轴电缆线。铜线和高电阻镀层的芯线和屏蔽线间的分布电容，降低了高频阻抗，因而吸收了浪涌。使用这种浪涌抑制线的产品，除浪涌抑制组件以外，还有浪涌抑制电缆，是在变频器的主电流通过的电缆线内部平行安置了浪涌抑制线，它的截面图和连接方法如图15 所示。

 

　　3.2.2 浪涌抑制组件的特点
　　只需接到电机接线端子，即可大幅度减低浪涌电压；
　　在使用PWM变频器的时候，相间电压可控制到1 000 V以下；
　　不需要追加施工，对已经安装运行的设备，设置容易；
　　与变频器容量没有关系，都可适用（但是，超过75 kW 的电机需对应设置）；
　　需配合变频器和电机之间的接线电缆长度，规格有50 m和100 m两种；
　　适应于RoHS 指令；
　　与输出滤波器相比，小型化、轻量化。
　　3.2.3 从传输线理论得出的浪涌抑制原理
　　根据传输线理论，浪涌抑制使用了浪涌吸收、浪涌减衰、浪涌抑制线的反射降低的方法。
员）浪涌吸收浪涌是高频波成分，低阻抗的浪涌抑制线接在电机接线端子上，让浪涌电流流到抑制线里面去，如图16所示。

 

　　浪涌减衰浪涌电流是高频波成分，根据集肤效应，浪涌电流集中在导线外表面，因导线外表镀高电阻率材料镀层，故浪涌电流的能量在电阻上被消耗了，如图17 所示。
　　浪涌抑制线的反射降低浪涌电流的高频分量在浪涌抑制线内被旁路和衰减，使浪涌形状变钝，浪涌频带中心向低频方向移动。又从浪涌电流来看，好像浪涌抑制线的特性阻抗逐渐变高了，使得抑制线末端不易被反射回来。如图18所示。

 

　　3.2.4 抑制效果
　　图19 是变频器的电源电压为400 V，3.7 kW的电机、接线长度50 m，和75 kW的电机、接线长度100 m时抑制微浪涌电压的效果。对于3.7 kW的电机，当没有浪涌抑制组件时，微浪涌电压为1 036 V，相当于变频器内部的直流电压540 V的192%；当加了浪涌抑制组件时，50 m电缆的峰值电压为733 V，相当于变频器内部的直流电压540 V的136%。电压尖峰差距303 V，有61%的抑制效果。对于75 kW的电机，当没有浪涌抑制组件时，微浪涌电压为1 040 V，相当于变频器内部直流电压520 V的200%；当加了浪涌抑制组件时，电缆的峰值电压为785 V，相当于变频器内部直流电压520 V得151%。电压尖峰差距255 V，有49%的抑制效果。

 

4 结语
　　针对实际应用变频器时，产生的微浪涌现象对电机的危害，介绍了微浪涌抑制技术及其原理，以实例对比了不同抑制器的抑制效果，以期引起变频器生产厂家和用户对这一问题的关注。