1 引言
PWM变频调速驱动系统中,变频器输出的具有陡上升沿或者下降沿的脉冲电压给电机带来了不良的影响,容易在电动机接线端子及绕组上产生过电压,造成电动机绕组绝缘的过早破坏[1][3]。
尤其是在逆变器与电机之间有长电缆连接的情况下,PWM脉冲波电压景电缆传输反射,有可能在电机端子上产生比较严重的过电压,从而加重了绕组绝缘的损坏,这是电缆可看作是输出脉冲波的传输线,PWM脉冲波的传输速度约为150～200m/us,如果一个脉冲波从逆变器到电机的传播时间超过上升时间的1/3,就会在电机端子上发生全反射,从而产生过电压[2]。
造成电机端子产生高频振荡过电压的原因,用传输线理论可以很好的解释,并且通过实验研究也进一步得到了证实,它是造成电机绝缘过早破坏的原因之一,因此为了延长电机寿命,出了提高电机自身的绝缘水平外,还必须尽最大可能抑制过电压的浪涌冲击[4]。
2 基本理论分析
根据传输线理论,在传输线上的节点处,有阻抗的变化就会造成波的反射。如果电缆终端短路,则反射系数为-1,反射电压与入射电压大小相等,符号相反,端部的合成电压为零;如果电缆终端开路,反射系数为+1,反射电压与入射电压的大小和符号都相同,端部电压加倍;如果电缆终端外接阻抗与电缆特性阻抗匹配,则反射系数为零,不产生反射,端部电压就等于入射电压。一般情况下,电机的输入端阻抗可以是电缆特性阻抗的数十倍,因而可以把电机看作开路,而逆变器的输出阻抗近似为零[3]。
电缆终端的反射系数为:
负载（电动机)阻抗,
电缆特性阻抗。
电缆单位长度电感,
电缆单位长度电容;
端电源反射系数:
在逆变器端,反射后得到的正向波与传输来的反向波相同,但幅值变为反向波的
倍。而入射波被反射后得到的反射波传向逆变器,反射波的值为入射波的值的
倍,由于电机绕组的电感很大,则
。
也就是说,当电缆太长（超过临界长度,即脉冲在其中的传输时间超过脉上升时间一半)时,如果电缆的损耗不计,在电机端就可能得到2倍于逆变器直流母线电压的过电压。这一过电压主要作用于电机绕组的最初几匝,可能损害电机绝缘。
3 过电压振荡频率分析
不考虑电缆之间的互电感和互电容。
按传输线理论,一相电缆可以简化为下图所示的等效电路。
,
分别为单位长度电缆的电阻、电感、电导和电容,
为逆变器到电机之间的电缆长度。
由上图可以求出传输线的等效电路的传递函数:
如果考虑电缆无损,则其无阻尼振荡频率为:
由上诉分析可知:过电压是高频振荡衰减的,其振荡频率主要决定于电缆参数,即单位长度电感、电容及电缆长度。
因此抑制感应电机端部绕组过电压可以从两个方面入手:
设法使电机端的阻抗尽可能与电缆特性阻抗匹配,消除或减小电压反射;
抑制过电压振荡频率的成分传输到电机端,即在逆变器输出端或者电机端接入
一个低通滤波器,抑制电压脉冲频谱中出现的高频成分,从而达到减小过电压的效果。
如图2所示的结构中,一个由R-C构成的滤波器接在电缆的输出端,即电机端,期望R-C的阻抗要尽可能与电缆的特性阻抗相匹配,从而减小反射,降低过电压。逆变器与电机之间的长电缆作为传输线,各相脉冲电压作为传输线的输入波形,滤波器是作为传输线的负载。
4 R-C滤波器参数的理论设计
建立变换器至电机传输线路的等效电路图3。
假定
远小于
电机端的电压反射系数为:
其中
为电子端子处包括RC滤波器之后的负载阻抗。一般情况下,电机的输入端阻抗可以是电缆特性阻抗的数十倍,因此
,所以上式可简化为:
由上一节分析,过电压振荡是一个高频振荡,其振荡频率往往是开关频率的数百倍。
结合上式可以看出,当
时,
还有可能变为负值。
设
,分别代表到达电机端子的第一个入射波和反射波。
则
,假设
为阶跃函数。
经过拉普拉斯变换:
这个时刻（也就是逆变器输出脉冲传输到电机端的时候为时间零点),那么使第一个反射波的幅值为零,也就是:
也可以从另一个角度来理解,高频时滤波器的电容相当于短路,所以,如果期望R-C能够与电缆特性阻抗匹配,选取电阻R等于特性阻抗也是适当的。
以逆变器输出脉冲第一个入射波传输到电机端的时候为时间零点,当从电机反射回去的电压,再次经过逆变器反射传输到电机端时,经历的时间相当于在2倍长度的电缆中的传输时间,这是,在电机端得到过电压的最高值。
脉冲在已知长度为
继单位长度电感为
和电容为
的电缆中的传输速度和传输时间分别为:
我们期望电机过电压最高不要超过输入脉冲电压的1.2么,当
由上诉分析可知:滤波器的电阻值越小,电容值越大,则电动机端子上过电压幅值就越小,且脉冲电压上升沿时间也越大。但是ＲＣ滤波器的电阻Ｒ取值最好接近于线路的特性阻抗
,因为太大则抑制效果不好,太小则可能使电机端子的供电电压减弱。电容Ｃ的取值越大越好,但是电容值的增大会使电阻的功率损耗增加。
还有一个约束条件就是ＲＣ滤波器的放电时间必须小于ＰＷＭ脉冲波的间隔时间,以确保下一个脉冲来临之前电容放电完毕。
在连续矩形脉冲下,ＲＣ滤波器每相电阻的损耗近似为:
5 仿真与实验结果
根据以上分析,通过Saber软件建立了电缆、电源系统和电机的仿真模型。
电源输出脉冲峰值为1100V,脉冲上升和下降时间为300ns,电缆长度为75m,电缆参数:
RC滤波器参数为:50欧,0.2uF;
图4是没有RC滤波器时的电机端电压波形及其频谱分析,可见电机端电压振荡非常严重,在62K频谱附近谐波成分很高;
图5是加入RC滤波器时的电机端电压波形及其频谱分析,可见加入RC滤波器后电机端电压振荡得到了抑制,62K的高频成分已经被滤波器吸收;
图6是实验的测试波形,2.0MW 电机的端电压峰值由加入RC滤波器前的1720V下降到加入滤波器后的1160V,效果显著。
从仿真和实验来看,RC滤波器的电阻和电容的选择需要适当,电容太大,电阻上的功耗越大,电阻太小,RC滤波器回路的电流就越大,不利于电容寿命。
仿真和实验表明,电容取值在0.1u～0.3uF之间,电阻以在电缆特性阻抗1.5倍左右为宜。
6 结束语
本文基于反射理论分析了长线电缆传输感应电机系统过电压的原因,通过电缆模型得出了RC滤波器的基本设计方法,然后建立了从PWM逆变电源、电缆到电机的传动系统模型。仿真和实验验证了理论分析的正确性。
参考文献:
[1] E.Persson.Transient Efects in Application of PWM Invertera to Induction Motors[J],IEEE TransInd.hppl.1992:1095-1100.
[2] 万健如,林志强,禹华军,“PWM逆变器对电机端子过电压的影响”[J].电源技术应用,2002,5(7):188-1910.
[3] 刘学忠,徐传骧.“变频调速电动机端子上过电压的抑制”[J].电工技术学报,2001,21(8):84-87.
[4] Annette von Jouanne,Dudi A Rendusara,Prasad N Enjeti.Filtering techniques to minimize the effect of long motor leads on PWM inverter-fed AC motor drive system[J].IEEE Trans,on Industry Applications,1996,32(4):919-925.
作者简介:廖荣辉(1981-),男,研究生,工程师,研究方向:电力电子与电力传动。