长电机电缆对变频器和电机的影响及对策

长电机电缆对变频器和电机的影响及对策 刘允松 Page 1 长电机电缆对变频器和电机的影响及对策 Written By Heu Vang and Marco Chiare 刘允松 编译 摘要摘要 当交流电机直接挂工频电网运行时，如果电缆比较长，需要考虑的主要是供电电压和电缆线 径，用以保证电机的端电压和出力。而当电机由变频器来驱动时，除长电缆引起的线损外，还有 些事项需要谨慎处理。比如，长电机电缆将在电机端子上产生瞬间过压，从而对绕组绝缘的寿命 产生相当大的影响，严重时将导致电机的绝缘失败。凡此种种，如果在规划、设计和实施阶段忽 略这个问题，没有采取合适的应对措施，发生事故后则难以补救，严重影响生产。 本文拟对长电机电缆对变频驱动系统造成的损害作深入浅出的探讨，并提出指导性的建议。 引言引言 在工业环境中，变频器带来的灵活控制、节能增效和低成本维护已经不容质疑，这里不再赘 述。然而，如果对变频驱动系统的结果、原理和应用没有足够的认识，则会出现错误和损失。譬 如，由于应用场合的需要，当变频器与电机之间采用长电缆连接时，电机和电缆的绝缘容易受到 威胁，最终导致电机本身的损坏。比较常见的有潜水泵、潜油泵、矿井提升机、皮带机、翻车机、 盾构机、隧道通风机等。为了理解问题的实质和选择最佳的处理方案，首先必须了解变频器和电 机的技术特性。 变频器首先通过整流桥将交流电源电压（AC）转换为直流电压（DC）。直流电压含有电压纹 波，通过储能电容平滑。这部分通常被称为整流电源部分。接着，该直流电压又被转换成大小和 频率可调的三相交流电压（见图 1），这个过程称为逆变，这部分通常被称为逆变器，是变频器 的核心。逆变由电力电子功率器件来实现。其输出电压以高频反复通断，但是其导通的时间占比， 或者称为脉宽被以既定的规律连续调制（称为 PWM），从而获得的波形的效应接近于正弦波。电 力电子技术的发展提高了开关频率，同时降低了损耗。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）作为电力电 子器件的佼佼者，其开关频率可达 16KHz，供给电机的交流输出 频率则可达 1KHz 以上，是当前 逆变功率器件的绝对主角。 长电机电缆对变频器和电机的影响及对策 刘允松 Page 2 图 1 变频器结构示意图 一般说来，开关频率越高，输出给电机的电流的纹波含量越低。为了补偿损耗，IGBT 的开 关（切换）极快，可达 1 微秒以内。但是，高速切换与电机之间的长电缆耦合的结果却造成电机 端子的瞬间过压。事实上，过压的幅值经常能超过变频器直流母线电压的两倍（见图 2），这是 导致电机绕组绝缘击穿的根源。 图 2 长电机电缆会导致过压和过流 过压和过流对驱动系统的影响包括： 对变频器的影响 变频器过流的主要风险是短路故障（SCF）。 由切换带来的峰值电流通过变频器的电流传感 器读取到微处理器，到一定幅度后会引发变频器报短路或接地故障。 长电机电缆对变频器和电机的影响及对策 刘允松 Page 3 容性峰值电流的另外一个后果就是 IGBT 的额外温升，它也跟开关频率有关：开关频率越高， 峰值电流的次数频度越高，IGBT 的结损耗越大。此温升对变频器的寿命也有显著的影响。 对电控柜的影响 变频器的输出电压在长电机电缆的作用下会产生高频对地 环流，从而干扰接到同一网络的电 气设备。比较常见的结果是位于变频器上游的剩余电流检测设备 RCD 的意外脱扣。另外，流过电 机电缆的高频电流也会产生高频辐射，对周围的电子设备产生干扰。 对电机的影响 电机端子上的过压表现在两相绕组之间能够产生局部放电，加剧绕组绝缘的老化。严重时导 致电机的绝缘击穿。注意允许的过压取决于电机的绝缘水平（见图 4）。 最终用户和设计院经常低估上述一些现象，所以没有采取对应的 措施。虽然省去额外的设备 和选件短期内节省了成本，但是长期看来，这种短视的设计会引起电机的损坏，或者使整个系统 造成瘫痪。在自来水厂或电厂等关键的应用上，这种风险的程度是不能接受的。 长电机电缆的长电机电缆的边缘效应边缘效应 在标准应用中，若电机电缆的长度超过 10 米，即会发生过压的现象。电机电缆越长，发生 的过压越严重（见图 3）。若使用屏蔽电缆则负面效应还会被放大。 变频器输出的电压上升时间，经常被指为 dV/dt，越高的开关频率，将产生越大的瞬间峰值 电流，这就是寄生电容的后果（发生在两个导体之间，比如电机或电机电缆，导体之间距离很近， 并且具有电位差。它们就像电容一样，受对方电场 的影响，储存有相反极性的电荷）。这种性质 的瞬间电流会增加变频器、电缆以及电机的损耗。 图 3 变频器与电机的电缆越长，电机端子上的峰值电压越高 长电机电缆对变频器和电机的影响及对策 刘允松 Page 4 各种类型的电机允许的电压和电流，最常见的 IEC 和 NEMA 标准、技术规范，以及指导线在 图 4 中重点标出。允许的过压取决于电机绝缘水平。相关的 IEC 和 NEMA 标准包括： IEC60034-17 由变频器供电的 通用电机限制线，500V 电机 IEC60034-25 变频器专用电机的限制线：曲线 A 对应 500V 电机，曲线 B 对应 690V 电机 NEMA MG1 变频器专用电机 图 4 不同类型电机的电压限制线 对特别关键的应用，需要指定符合 IEC60024-25 等级 B 或 NEMA 600V 的电机。变频器驱动的 电机，为了降低电机绝缘故障的风险，需要强制规定符合 IEC60034-25 B 或 NEMA 400。 使用变频器的另一个负面影响是电机轴承的剥蚀。这是由 逆变器产生的共模电压引起，共模 电压产生高频电流进入电机的轴承。取决于电机的类型，以及轴承是否隔离，三种不同类型的共 模电流在电机内形成回路： 1 一个回路流经定子、绕组和电机轴。这种情形，感应电流在轴承周围流过两次。 2 一个回路流经绕组和通过负载连接到地的电机轴承之间的寄生电容。脉冲电容电流流到变 频器侧的轴承。 3 一个回路流经定子、转子绕组、机壳和轴承之间的电容。在这种情形中，机壳正确地接地， 轴承电流与共模电压的大小成正比。轴承电流的产生源于电容的静电放电。 预防措施预防措施 为了限制过压和电流峰值的影响，需要评估几种方案的效果。具体采取哪种方案由具体应用 环境决定。 软件保护软件保护 长电机电缆对变频器和电机的影响及对策 刘允松 Page 5 逆变有一种“双转换”现象存在。它出现在电机的一相从负转向正的直流母线电压，同时另 一相从正转向负的直流母线电压，这时，相间的瞬间电压可能会超过直流母线电压的两倍。有些 变频器内集成有非常实用的过压抑制的软件功能。这种先进的电机控制算法可以有效地避免“双 转换”现象。 图 5 软件功能对防止“双转换”现象的影响 如果 PWM 脉冲的周期相对于电缆的时间 常数很短，那就会引起反射波的叠加，从而产生超 过两倍直流母线电压两倍的过压。最新一代的变频器技术（ATV Process/ATV61/71/32）通过设置 两个 PWM 脉冲波之间的间隔限制可以避免电压反射波的叠加，如图 5 所示。虽然设置这个时间 间隔限制有时会略微降低变频器的性能（转矩降低 3%），在正常的情况下，系统的总体性能还是 能够保障的。 输出电抗器输出电抗器 电抗器又称为扼流圈，能够阻止电流的快速变化，一般安装在电机驱动系统中用于限制起动 电流，或者安装在变频器的整流回路中，用于抑制电流谐波。如果将电抗器安装在变频器的输出 侧，也能起到保护变频器和电机的作用。机理是：电机电抗器与电机电缆的寄生电容相作用，可 以降低 dv/dt 和峰值电压。其实际效果与电缆的类型和长度有关。需要注意的是，如果选的电感 参数不合适的话，理论上会拉长超调（信号超过目标值）的宽度。 从保护电机和降低过流对变频器的影响的目的出发，输出 dV/dt 滤波器倒是最经济有效的方 案。该滤波器降低 dV/dt，从而降低相间及相地的容性漏电流。同时，该滤波器对抑制过压也有 一定的作用。这种滤波器适用面很广，适用于各种电机和电缆（不管电缆的类型和长度），没有 副作用，推荐用于特殊的电机或者电机的规格不甚清楚的情况。 正弦波滤波器正弦波滤波器 经过专门设计的低通滤波器（一种电子滤波器，能通过低频信号却阻止高于截止频率的信 号），称为正弦波滤波器，能够将高频电流旁路掉。结果使得电机端子上的电压波形成为纯粹的 正弦波。差模正弦波滤波器能够完全抑制过压效应，降低电磁兼容性（EMC）干扰。 长电机电缆对变频器和电机的影响及对策 刘允松 Page 6 如果正弦滤波器与共模滤波器一起使用，就能有效地抑制轴承电流（见图 6），降低对电网 的传导性 EMC 干扰。两种滤波器的组合为变频器到电机的连接问题提供了最为可靠的方案。这种 方案对于超长电机电缆是最有效的，也不需要使用屏蔽电缆。 图 6 正弦波滤波器工作原理图 应用特例应用特例 有些应用场合受长电机电缆问题的困扰尤其严重。比如，对于提升应用，电机有差不多一半 的时间工作在发电机状态（制动模式），再生能量通过逆变器的续流二极管流回到中间直流母线， 从而使得直流母线电压升高 15-20% ，所以，电机电压的峰值也有相同幅度的拉高。这种情况就如 同将电网电压被抬高了 20%。本来供电电压为 400V 的应用，在这种情况下必须按照 480V 的供电 电压来提供保护。 另外，如果变频器后面并联几台电机的话，等效的电缆长度应考虑所有电缆的长度之和。比 如，单台变频器后面同时并联带了三台电机，每台电机的电缆长度是 20 米，则规划变频器与电机 之间的保护措施时，电缆长度不能按 20 米算，而应该按 60 米算。 还有，当为了计算电缆长度以防止过压时，屏蔽电缆的长度应等效算作非屏蔽电缆的两倍。 例如，假设一根屏蔽电缆的真实长度为 100 米，那么实际计算时应该按 200 米的标准电缆来考虑。 表一 根据电机性质和电缆长度推荐的预防措施 电机电缆长度 Lm （非屏蔽电缆） 电机符合 IEC60034-25 电机不符合 IEC60034-25 1mLm50m 不需要滤波器 dV/dt 滤波器 50mLm100m 不需要滤波器 正弦波滤波器 100mLm300m 不需要滤波器 正弦波滤波器 300mLm500m dV/dt 滤波器 正弦波滤波器 500mLm1000m 正弦波滤波器 正弦波滤波器 长电机电缆对变频器和电机的影响及对策 刘允松 Page 7 结论结论 当变频器驱动电机时，快速切换的 IGBT 遇到长电机电缆时，能够在电机端子上产生超过两 倍于直流母线电压的峰值电压。极端的情况下，高峰值电压能够加快电机电机绕组绝缘的老化， 从而导致整台电机的失败。为了保证电机的使用寿命，推荐几条建议： 1） 选用专门设计用于变频器的电机（符合标准 IEC60034-25 B 或 NEMA 400）; 2） 选用的变频器集成抑制反射电