隨著世界性的環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高和節(jié)能要求的迅速發(fā)展，特別是在工業(yè)用電機(jī)控制中，以電力半導(dǎo)體組件組裝的變頻器正成為應(yīng)用的主流。
但當(dāng)變頻器和電機(jī)之間的接線距離很長(zhǎng)時(shí)，電機(jī)接線端因變頻器的高速開(kāi)關(guān)過(guò)程引起的微浪涌電壓，給電機(jī)的絕緣帶來(lái)影響，造成電機(jī)損傷。這里把浪涌稱(chēng)為微浪涌是為了區(qū)別于雷電等突發(fā)的強(qiáng)大浪涌，微浪涌從示波器上看是密集的、連續(xù)存在的、很窄的尖峰電壓。
本文對(duì)微浪涌電壓的發(fā)生機(jī)理及其對(duì)電機(jī)的影響作了分析，介紹了抑制微浪涌電壓的技術(shù)，以及最近出現(xiàn)的衰減微浪涌電壓的產(chǎn)品和采用細(xì)線徑傳輸為特征的微浪涌抑制組件的工作原理等。
1 微浪涌電壓的發(fā)生機(jī)理
1.1 變頻器的輸出電壓波形
變頻器主要由把交流市電整流成直流的整流器、平滑電壓脈動(dòng)的電容器、6個(gè)開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的逆變器所組成。如圖1所示，逆變器部分輸出由改變脈沖寬度（PWM波）形成的等效正弦波交流電壓去驅(qū)動(dòng)電機(jī)。近幾年的變頻器為了使電機(jī)低噪音化，逆變部分的開(kāi)關(guān)器件采用IGBT進(jìn)行著高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作。因此，在PWM波的每個(gè)脈沖上升和下降時(shí)，即開(kāi)關(guān)時(shí)間以非常短的時(shí)間駐t=0.1~0.3滋s切換著的時(shí)候，使逆變器內(nèi)部的直流電壓Ed（400V電力系統(tǒng)用逆變器的Ed=600V左右）因切換所形成的電壓變化率dv/dt變得很大，這是產(chǎn)生微浪涌的主要根源之一。
1.2 微浪涌電壓
微浪涌電壓是變頻器和電機(jī)之間的接線長(zhǎng)度很長(zhǎng)時(shí)，在電機(jī)接線端產(chǎn)生的極細(xì)的尖峰浪涌電壓。如圖2所示，逆變器的輸出電壓是脈沖狀，在電機(jī)接線端子上發(fā)現(xiàn)在脈沖狀的波形上又疊加了微浪涌電壓尖峰。一般情況下，微浪涌電壓的尖峰值將會(huì)是逆變器內(nèi)部的直流電壓的2倍。
1.3 阻抗不匹配形成的反射
變頻器的輸出脈沖上升或下降時(shí)間很短，是疊加在變頻器輸出給電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率（基波）及脈沖調(diào)制頻率（調(diào)制波）之外的高頻成分。一般情況下，變頻器與電機(jī)連接電纜的阻抗ZL是50~100 贅，而電機(jī)本身的阻抗ZM，一般數(shù)百kW的電機(jī)也都超過(guò)1k贅，是電纜阻抗的10倍以上。這樣，在電機(jī)的接線端子上將發(fā)生阻抗的不匹配現(xiàn)象，造成高頻波成分的反射。在不匹配阻抗連接處的反射系數(shù)M為
變器的輸出脈沖同一極性、幾乎同一大小的反射波，疊加后成為微浪涌尖峰電壓。圖3形象地表示了反射的情況，微浪涌電壓就像海浪遇到障礙一樣被抬得很高。圖4表示實(shí)際電纜和電機(jī)的阻抗差別，一般電機(jī)的阻抗是電纜特性阻抗的10倍以上，所以反射總是存在。
1.4 微浪涌發(fā)生的實(shí)例
某一變頻器和電機(jī)額定值都是AC 400V輸入、功率3.7kW，運(yùn)行電網(wǎng)電壓AC 460V，輸電電纜長(zhǎng)度50m。空載條件下，測(cè)量出變頻器內(nèi)部直流中間電壓為620V，用示波器看到的電機(jī)接線端子上的微浪涌波形如圖5所示，圖中，微浪涌電壓值高達(dá)直流1250V，這對(duì)電機(jī)絕緣產(chǎn)生破壞并加速其老化。
測(cè)量變頻器與電機(jī)間不同布線電纜長(zhǎng)度時(shí)的微浪涌電壓如圖6所示，這是在IGBT調(diào)制頻率2kHz，脈沖上升時(shí)間駐t=0.1滋s的常見(jiàn)條件下的測(cè)量值，可以看到電纜長(zhǎng)度超過(guò)100m后，微浪涌電壓保持在變頻器內(nèi)部直流電壓2倍的水平不變。而電纜長(zhǎng)度超過(guò)20m就要重視微浪涌電壓可能已經(jīng)超過(guò)變頻器內(nèi)部直流電壓1.8倍的情況。
2 微浪涌電壓對(duì)電機(jī)的影響
電機(jī)內(nèi)部的斷面如圖7所示。電機(jī)有定子和轉(zhuǎn)子，定子內(nèi)有安放三相線圈的槽。如果放大槽的內(nèi)部，可以看到有許多的線圈（漆包線），各線圈對(duì)地之間、各相之間、線匝相互之間都有絕緣存在。通常對(duì)地、相間都有絕緣紙插入，而線匝之間沒(méi)有絕緣紙插入，它利用堅(jiān)固的漆包線的漆層獲得絕緣。微浪涌電壓給這些絕緣全部帶來(lái)影響，這些絕緣損壞之中，線圈匝間損壞最多。表1列出了有關(guān)電機(jī)內(nèi)部各絕緣部分承受的電壓值，也稱(chēng)為電壓應(yīng)力，提供了用市電電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)和用變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)相比較的資料。
2.1 對(duì)線圈匝間的絕緣破壞
浪涌電壓滲入電機(jī)內(nèi)部的時(shí)候，線圈匝間究竟加上多少電壓，模擬結(jié)果如圖8所示。該模擬是將測(cè)量點(diǎn)放在電機(jī)的每一線圈上（電機(jī)槽內(nèi)的漆包線圈上），在U-V之間加上上升時(shí)間0.14滋s的浪涌電壓的測(cè)量的結(jié)果。U-S1之間是第1線圈分擔(dān)的電壓，測(cè)得它分擔(dān)了全電壓65豫耀75%，而別的線圈S1-S2、S2-S3、S3-V之間分擔(dān)了10豫耀20%，這是因?yàn)殡姍C(jī)內(nèi)部的阻抗大，微浪涌電壓在逐漸衰減。
壽命特性水平軸表示施加破壞脈沖次數(shù)和破壞時(shí)間；縱座標(biāo)軸表示破壞電壓，兩條曲線分別表示漆包線在溫度20益和155益兩種條件下測(cè)量的結(jié)果。
壽命特性用斜率不同的兩條線表示，兩條線連接的地方叫做局部放電起始電壓。斜率陡險(xiǎn)的部分，是確實(shí)發(fā)生了放電的區(qū)域，2小時(shí)內(nèi)漆包線遭到破壞。斜率緩慢的區(qū)域極少發(fā)生局部放電。按照這一結(jié)論，如果控制住第1線圈局部放電起始電壓，就不發(fā)生微浪涌電壓的絕緣破壞。另外，如果相間（U-V 之間）控制在1000V以下、上述的第1線圈的電壓分擔(dān)率控制在750V左右，就能夠確保20年的壽命。
2.2 由于微浪涌所造成電機(jī)損壞的真實(shí)情況
在日本，隨著變頻器的普及，電機(jī)廠家強(qiáng)化了電機(jī)的絕緣，多數(shù)把絕緣水平做到超過(guò)1200V以上。JEMA（日本電機(jī)工業(yè)會(huì)）的技術(shù)資料顯示在1989耀1993年的5 年間，根據(jù)對(duì)電機(jī)發(fā)貨臺(tái)數(shù)統(tǒng)計(jì)的微浪涌的損壞事例在0.013% ，即非常低的概率。不過(guò)長(zhǎng)期使用絕緣老化的舊電機(jī)和被認(rèn)為絕緣水平低的電機(jī)，絕緣破壞的危險(xiǎn)性還是較高。另外，根據(jù)近幾年的電源的高次諧波對(duì)策和對(duì)以升降機(jī)的回生能量為目標(biāo)的高功率因數(shù)電源推廣應(yīng)用，所設(shè)置PWM變頻器系統(tǒng)不斷增加。PWM變頻器的回生能量為了送回市電電源，讓直流中間電壓上升到較高值是必要的關(guān)鍵，其結(jié)果是由于微浪涌電壓引發(fā)絕緣破壞的可能性正在增加。在中國(guó)和其它AC 440~380 V地區(qū)，市電電壓是日本市電電壓的2倍，因此，微浪涌電壓的危害更加顯著。
3 微浪涌的抑制技術(shù)
鑒于上述原因，各變頻器廠商致力于克服微浪涌問(wèn)題，開(kāi)發(fā)和銷(xiāo)售各種各樣對(duì)微浪涌進(jìn)行抑制的產(chǎn)品。
3.1 輸出電路用的濾波器
輸出電路用濾波器由輸入輸出接線端子、電阻、電容器、電抗器所構(gòu)成，如圖10所示，其中電抗器是非常重的部件。作為主要的指標(biāo)，相間的微浪涌電壓為1000V以下，變頻器和電機(jī)之間的接線長(zhǎng)度為400m，產(chǎn)品的系列到達(dá)500kW，防護(hù)等級(jí)為IP00。
3.1.1 工作原理
輸出濾波器的工作原理如圖11所示。微浪涌電壓是變頻器輸出脈沖上升時(shí)間出現(xiàn)的dv/dt 過(guò)大所引起，又由于阻抗不匹配被反射而發(fā)生。因此輸出電路使用濾波器，用于抑制dv/dt，也就是抑制了高頻成分因阻抗不匹配而造成的微浪涌。所以輸出濾波器是dv/dt抑制型濾器，這種濾波器在變頻器的調(diào)制頻率為15kHz、接線長(zhǎng)度為400m時(shí)，能做出微浪涌電壓1000V以下的性能非常優(yōu)良的產(chǎn)品。不過(guò)，這種方式的濾波器為了讓逆變器的輸出電流通過(guò)電抗器，不得不做成大容量，造成濾波器的大型化、高價(jià)格化、大重量，有的達(dá)到50kg以上，給用戶(hù)造成了實(shí)際負(fù)擔(dān)。
3.1.2 抑制效果
圖12顯示了供電電源440V，功率為3.7kW的變頻器供電給電機(jī)（3.7kW，400V），在接線長(zhǎng)度為100m時(shí)、測(cè)量電機(jī)接線端子U-V 之間的微浪涌電壓的抑制效果。在沒(méi)有輸出濾波器的情況下，微浪涌電壓達(dá)到1360V，相當(dāng)于變頻器內(nèi)部直流電壓680V的200%。有輸出濾波器的時(shí)候，頂峰值電壓是756V、相當(dāng)于變頻器器內(nèi)部的直流電壓680V的111%，它和沒(méi)有輸出濾波器的頂峰電壓差距有604V，抑制效果達(dá)89%。
3.2 浪涌抑制組件
圖13所示為浪涌抑制組件的外觀。和輸出濾波器相比，浪涌抑制組件是小型化的產(chǎn)品。其技術(shù)指標(biāo)為相間的微浪涌電壓1000V以下，防護(hù)等級(jí)為IP20。浪涌抑制組件是對(duì)變頻器的容量不需要選擇，而接線距離需要選擇的產(chǎn)品。另外，接線方法非常簡(jiǎn)單，只需要把浪涌抑制組件的輸入電纜接到電機(jī)接線端子U、V、W上。
3.2.1 工作原理
浪涌抑制組件的工作原理如圖14所示。浪涌抑制組件內(nèi)部卷繞的浪涌抑制線具有和電纜線的阻抗ZL相同的阻抗，因此接到電機(jī)的接線端子上降低了電機(jī)接線端子的阻抗，從而減少了阻抗不匹配時(shí)的反射波。通常高頻波成分在電纜線上的阻抗ZL是50耀100贅，設(shè)計(jì)的浪涌抑制線的阻抗ZS是50~60歐。
浪涌抑制線的斷面圖如圖14所示。浪涌抑制線用直徑1.2mm的線做成，內(nèi)部的銅線外表進(jìn)行高電阻率材料電鍍，又用高介電常數(shù)材料作絕緣體覆蓋，外表是屏蔽保護(hù)的同軸電纜線。銅線和高電阻鍍層的芯線和屏蔽線間的分布電容，降低了高頻阻抗，因而吸收了浪涌。使用這種浪涌抑制線的產(chǎn)品，除浪涌抑制組件以外，還有浪涌抑制電纜，是在變頻器的主電流通過(guò)的電纜線內(nèi)部平行安置了浪涌抑制線，它的截面圖和連接方法如圖15所示。
3.2.2 浪涌抑制組件的特點(diǎn)
只需接到電機(jī)接線端子，即可大幅度減低浪涌電壓；
在使用PWM變頻器的時(shí)候，相間電壓可控制到1000V以下；
不需要追加施工，對(duì)已經(jīng)安裝運(yùn)行的設(shè)備，設(shè)置容易；
與變頻器容量沒(méi)有關(guān)系，都可適用（但是，超過(guò)75kW 的電機(jī)需對(duì)應(yīng)設(shè)置）；
需配合變頻器和電機(jī)之間的接線電纜長(zhǎng)度，規(guī)格有50m和100m兩種；
適應(yīng)于RoHS指令；
與輸出濾波器相比，小型化、輕量化。
3.2.3 從傳輸線理論得出的浪涌抑制原理
根據(jù)傳輸線理論，浪涌抑制使用了浪涌吸收、浪涌減衰、浪涌抑制線的反射降低的方法。
浪涌吸收浪涌是高頻波成分，低阻抗的浪涌抑制線接在電機(jī)接線端子上，讓浪涌電流流到抑制線里面去，如圖16所示。
浪涌減衰浪涌電流是高頻波成分，根據(jù)集膚效應(yīng)，浪涌電流集中在導(dǎo)線外表面，因?qū)Ь€外表鍍高電阻率材料鍍層，故浪涌電流的能量在電阻上被消耗了，如圖17所示。
浪涌抑制線的反射降低浪涌電流的高頻分量在浪涌抑制線內(nèi)被旁路和衰減，使浪涌形狀變鈍，浪涌頻帶中心向低頻方向移動(dòng)。又從浪涌電流來(lái)看，好像浪涌抑制線的特性阻抗逐漸變高了，使得抑制線末端不易被反射回來(lái)。如圖18所示。
3.2.4 抑制效果
圖19是變頻器的電源電壓為400V，3.7kW的電機(jī)、接線長(zhǎng)度50m，和75kW的電機(jī)、接線長(zhǎng)度100m時(shí)抑制微浪涌電壓的效果。對(duì)于3.7kW的電機(jī)，當(dāng)沒(méi)有浪涌抑制組件時(shí)，微浪涌電壓為1036V，相當(dāng)于變頻器內(nèi)部的直流電壓540V的192%；當(dāng)加了浪涌抑制組件時(shí)，50m電纜的峰值電壓為733V，相當(dāng)于變頻器內(nèi)部的直流電壓540V的136%。電壓尖峰差距303V，有61%的抑制效果。對(duì)于75kW的電機(jī)，當(dāng)沒(méi)有浪涌抑制組件時(shí)，微浪涌電壓為1040V，相當(dāng)于變頻器內(nèi)部直流電壓520V的200%；當(dāng)加了浪涌抑制組件時(shí)，電纜的峰值電壓為785V，相當(dāng)于變頻器內(nèi)部直流電壓520V得151%。電壓尖峰差距255V，有49%的抑制效果。
4 結(jié)語(yǔ)
針對(duì)實(shí)際應(yīng)用變頻器時(shí)，產(chǎn)生的微浪涌現(xiàn)象對(duì)電機(jī)的危害，介紹了微浪涌抑制技術(shù)及其原理，以實(shí)例對(duì)比了不同抑制器的抑制效果，以期引起變頻器生產(chǎn)廠家和用戶(hù)對(duì)這一問(wèn)題的關(guān)注。