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行業(yè)新聞

變頻器輸出距離與電纜長(zhǎng)度的關(guān)系

發(fā)布日期2015.09.10 ?|

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變頻器主要用于交流電動(dòng)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。

原因分析

變頻器的輸出到電機(jī)的電纜長(zhǎng)度受到很多因素的影響,這其中的原因主要有以下幾點(diǎn):

(1)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(wèn)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(gè)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。

通常情況下,這個(gè)電容值很小(一般在15~30nf/100m左右),電纜長(zhǎng)度較短時(shí),它的實(shí)際影響可以忽略不計(jì),如果電纜很長(zhǎng)或傳輸信號(hào)頻率很高時(shí),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(huì)表現(xiàn)的較為明顯,對(duì)控制回路產(chǎn)生一定的影響,甚至影響控制功能,特別是對(duì)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(guò)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(huì)疊加到輸出電壓上,晶體管、igbt的開關(guān)頻率越高,電纜越長(zhǎng),產(chǎn)生的浪涌電壓越高,最高時(shí),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(guò)壓過(guò)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(huì)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(jì)時(shí)綜合考慮。

(2)變頻器本體輸出問(wèn)題

目前,幾乎所有的變頻器都采用pwm(pulse width modulation)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(dòng)作使得電壓和電流在短時(shí)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(huì)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(dòng)和噪聲,加速絕緣老化,還可能損壞電機(jī);同時(shí)各種頻率的諧波會(huì)向空間發(fā)射不同頻率的無(wú)線電干擾,可能導(dǎo)致其它設(shè)備誤動(dòng)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(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度也相應(yīng)越長(zhǎng)。

以上三方面都會(huì)直接影響變頻器輸出到電機(jī)的電纜長(zhǎng)度,根據(jù)以上原因的分析下面具體對(duì)改善方法作進(jìn)一步研究。

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:

(1)載波頻率對(duì)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(gè)逆變管在交替導(dǎo)通過(guò)程中的死區(qū)將變小,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致橋臂短路而損壞變頻器。

(2)載波頻率對(duì)變頻器輸出二次電流的波形影響

當(dāng)載波頻率越高時(shí),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?yàn)閤c=1/2πfc),由高頻脈沖引起的漏電流越大。

(3)載波頻率對(duì)電機(jī)的影響

當(dāng)載波頻率過(guò)低時(shí),電機(jī)有效轉(zhuǎn)矩減小,損耗加大,溫度增高,同時(shí)輸出電壓的變化率dv/dt增大,對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣影響較大;當(dāng)載波頻率過(guò)高時(shí),電機(jī)的振動(dòng)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。

(4)載波頻率對(duì)其它設(shè)備的影響

載波頻率越高,高頻電壓通過(guò)靜電感應(yīng),電磁感應(yīng),電磁輻射等對(duì)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(dòng)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(gè)閉合磁環(huán)上對(duì)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(gè)雙向?yàn)V波器:一方面要濾除信號(hào)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(hào),直流和頻率很低的差模信號(hào)都可以通過(guò),而對(duì)于高頻共模噪聲則呈現(xiàn)很大的阻抗,所以它可以用來(lái)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(duì)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(wú)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(zhǎng)度大于產(chǎn)品規(guī)定值時(shí),應(yīng)加輸出電抗器來(lái)補(bǔ)償電機(jī)長(zhǎng)電纜運(yùn)行時(shí)的耦合電容的充放電影響,避免變頻器過(guò)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(shí)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(shí)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(guò)壓保護(hù)電纜,減小電機(jī)噪聲,來(lái)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(wèn)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(jí)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(shí)實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能:把相位對(duì)相位電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎倚盘?hào)、抑制共模電流和把導(dǎo)體到地電壓變成正弦波電壓。

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。

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,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。

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(guò)測(cè)試,變頻器加裝正弦濾波器之后的輸出到電機(jī)的最長(zhǎng)電纜長(zhǎng)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(shí)將相間電壓轉(zhuǎn)換成正弦信號(hào),抑制共模電流,還可將導(dǎo)體對(duì)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(duì)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。

結(jié)束語(yǔ)

變頻器輸出距離的問(wèn)題一直是一個(gè)很難完全解決的問(wèn)題,本文通過(guò)對(duì)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(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用具有參考意義。

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