關(guān)于變頻器的輸出與電纜長度關(guān)系的研究

1 引言

　　變頻器主要用于交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，除了具有卓越的調(diào)速性能之外，變頻器還有顯著的節(jié)能作用，是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置。但是由于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(jī)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(diǎn)：

　?。?）分布電容。所謂分布電容，就是指由非電容形態(tài)形成的一種分布參數(shù)。一般是指在印制板或其他形態(tài)的電路形式，在線與線之間、印制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(guān)系，不只是電容器才有電容，實(shí)際上任何兩個絕緣導(dǎo)體之間都存在電容。例如導(dǎo)線之間，導(dǎo)線與大地之間，都是被絕緣層和空氣介質(zhì)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(jié)構(gòu)圖。

　　通常情況下，這個電容值很?。ㄒ话阍?5～30nf/100m左右），電纜長度較短時，它的實(shí)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(yuǎn)距離敷設(shè)系統(tǒng)中，電纜的電容會表現(xiàn)的較為明顯，對控制回路產(chǎn)生一定的影響，甚至影響控制功能，特別是對于變頻器控制普通低壓電機(jī)的控制回路，故障較多表現(xiàn)為過流、起停失靈等現(xiàn)象，給生產(chǎn)和維護(hù)造成很大的安全隱患。由于輸出線上的分布電容和分布電感的共振產(chǎn)生浪涌電壓，將會疊加到輸出電壓上，晶體管、igbt的開關(guān)頻率越高，電纜越長，產(chǎn)生的浪涌電壓越高，最高時，可產(chǎn)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(hù)，甚至燒壞模塊。

　　分布電容是一種分布參數(shù)，其數(shù)值不僅隨電纜的生產(chǎn)廠商不同而存在差異，而且會因?yàn)殡娎|的敷設(shè)方式、工作狀態(tài)和外界環(huán)境因素而不同，這需要在設(shè)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采用pwm（pulse widthmodulation）脈寬調(diào)制技術(shù)，但是由于變頻器中的功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，器件的高速開關(guān)動作使得電壓和電流在短時間內(nèi)發(fā)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(jī)繞組發(fā)熱，產(chǎn)生振動和噪聲，加速絕緣老化，還可能損壞電機(jī)；同時各種頻率的諧波會向空間發(fā)射不同頻率的無線電干擾，可能導(dǎo)致其它設(shè)備誤動作。因此，希望把變頻器安放在被控電機(jī)的附近。但是，由于生產(chǎn)現(xiàn)場空間的限制，變頻器和電機(jī)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(jī)的電纜長度，變頻器（未接輸出電抗器）功率越大其相應(yīng)的輸出電纜長度也相應(yīng)越長。以上三方面都會直接影響變頻器輸出到電機(jī)的電纜長度，根據(jù)以上原因的分析下面具體對改善方法作進(jìn)一步研究。

3 改善方案

　　3.1 調(diào)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(guān)器件（如：igbt）的開通與關(guān)斷的次數(shù)的頻率。

　　它主要影響以下幾方面：

　?。?）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(guān)，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(fā)熱增加。如果環(huán)境溫度高，逆變橋上下兩個逆變管在交替導(dǎo)通過程中的死區(qū)將變小，嚴(yán)重時可導(dǎo)致橋臂短路而損壞變頻器。

　?。?）載波頻率對變頻器輸出二次電流的波形影響

　　當(dāng)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?。惠d波頻率越高，布線電容的容抗越?。ㄒ?yàn)閤c=1/2πfc），由高頻脈沖引起的漏電流越大。

　?。?）載波頻率對電機(jī)的影響

　　當(dāng)載波頻率過低時，電機(jī)有效轉(zhuǎn)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(jī)絕緣影響較大；當(dāng)載波頻率過高時，電機(jī)的振動減小，運(yùn)行噪音減小，電機(jī)發(fā)熱也減少，但是諧波電流的頻率增高，電機(jī)定子的集膚效應(yīng)更嚴(yán)重，電機(jī)損耗增大，輸出功率減小。

　?。?）載波頻率對其它設(shè)備的影響

　　載波頻率越高，高頻電壓通過靜電感應(yīng)，電磁感應(yīng)，電磁輻射等對電子設(shè)備的干擾也越嚴(yán)重。

　　在實(shí)際使用中要綜合以上各點(diǎn)，合理選擇變頻器的載波頻率。一般電動機(jī)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(huán)上對稱繞制方向相反、匝數(shù)相同的線圈。共模電感實(shí)質(zhì)上是一個雙向?yàn)V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(fā)出電磁干擾，避免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)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，而對于高頻共模噪聲則呈現(xiàn)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(cè)可加以下選件：

　　（1）進(jìn)線電抗器，輸入電抗器可以抑制諧波電流，提高功率因數(shù)以及削弱輸入電路中的浪涌電壓、電流對變頻器的沖擊，削弱電源電壓不平衡的影響，一般情況下，都必須加進(jìn)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(chǎn)生的電磁干擾。

　　在變頻器的輸出側(cè)可加以下選件：

　　（1）輸出電抗器，當(dāng)變頻器輸出到電機(jī)的電纜長度大于產(chǎn)品規(guī)定值時，應(yīng)加輸出電抗器來補(bǔ)償電機(jī)長電纜運(yùn)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(dāng)變頻器的載波頻率小于3khz時采用。另一種輸出電抗器是鐵氧體式，當(dāng)變頻器的載波頻率小于6khz時采用。

　　（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(hù)電纜，減小電機(jī)噪聲，來確保電機(jī)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，各廠商推出了用于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于正弦波，減少電機(jī)諧波疇變系數(shù)和電機(jī)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(shù)，與傳統(tǒng)濾波器的布局技術(shù)相比，新的正弦濾波器可同時實(shí)現(xiàn)三個功能：把相位對相位電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎倚盘枴⒁种乒材ｋ娏骱桶褜?dǎo)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回路、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沖序列。由于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后，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后，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(jīng)過測試，變頻器加裝正弦濾波器之后的輸出到電機(jī)的最長電纜長度可以達(dá)到1000m。

　　變頻器輸出濾波器技術(shù)與傳統(tǒng)的濾波器技術(shù)相比，可以同時將相間電壓轉(zhuǎn)換成正弦信號，抑制共模電流，還可將導(dǎo)體對地電壓變成正弦電壓波形。它具有各種優(yōu)點(diǎn)，例如，由于對電機(jī)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(jī)的使用壽命得以大大提高。

4 結(jié)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(dǎo)致輸出距離受限的原因進(jìn)行了分析，并提出了一些切實(shí)可行的解決方法，對于實(shí)際工程應(yīng)用具有參考意義。