如何減小變頻器運(yùn)行對(duì)電機(jī)繞組絕緣的影響？

1 前言

1.1

概述

在接下來(lái)的推文中將給大家介紹由變頻器，連接電纜及電機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中如何減小變頻器運(yùn)行對(duì)電機(jī)繞組絕緣的影響，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的相關(guān)措施。

1.2

** 配置選型聲明**

在本推文中所陳述的相關(guān)措施方法，以及對(duì)應(yīng)的硬件配置僅作為一般性原理陳述，針對(duì)具體現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況需要詳細(xì)核對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采取正確的應(yīng)對(duì)手段進(jìn)行處理，詳細(xì)情況需要咨詢(xún)相關(guān)技術(shù)人員。

2 電機(jī)絕緣標(biāo)準(zhǔn)

2.1

** 變頻器運(yùn)行下的電機(jī)繞組絕緣**

逆變器中的IGBT快速導(dǎo)通與關(guān)斷所引起的陡峭電壓邊沿，通過(guò)較長(zhǎng)的電機(jī)電纜傳輸過(guò)程中所產(chǎn)生的反射電壓將作用于電機(jī)繞組上。

圖2-1 逆變器輸出特性及經(jīng)過(guò)長(zhǎng)線(xiàn)傳輸至電機(jī)端的電壓波形特性

IEC 60034-18-41:2019 (Rotating electrical machines – Part 18-41: Partial discharge free eletrical insulation systems(Type I) used in rotating electrical machines fed from voltage converters – Qualification and quality control tests)定義了運(yùn)行于采用脈寬調(diào)制的電壓源型變頻器下的電機(jī)繞組絕緣系統(tǒng)的脈沖電壓絕緣等級(jí)IVIC及規(guī)定了4類(lèi)絕緣強(qiáng)度。

表格2-1 脈沖電壓絕緣等級(jí)、反射系數(shù)及脈沖上升時(shí)間

對(duì)于采用西門(mén)子SINAMICS低壓變頻器（功率器件為IGBT，2-電平脈寬調(diào)制電壓源型變頻器），作用于電機(jī)繞組的反射系數(shù)一般為1.7~2.0，電機(jī)繞組絕緣依據(jù)C類(lèi)設(shè)計(jì)。這樣電機(jī)繞組絕緣電壓等級(jí)如下表：

表格2-2 電機(jī)繞組絕緣電壓等級(jí)

表格2-2中幾個(gè)電壓概念的圖示：

圖2-2 運(yùn)行于采用IGBT功率器件的電壓源型2-電平變頻器下的電機(jī)繞組幾個(gè)電壓表達(dá)

3 相關(guān)措施

3.1

** 變頻器(逆變器)輸出側(cè)電抗器**

輸出側(cè)電抗器可對(duì)電機(jī)端的 dv/dt 變化率進(jìn)行抑制。

由于逆變側(cè)采用快速開(kāi)關(guān)器件 IGBT，將在變頻器輸出端和電機(jī)端產(chǎn)生很高的 dv/dt。電壓變化率通過(guò)在電機(jī)側(cè)加裝電抗器抑制。

對(duì)于沒(méi)有采用輸出電抗器的系統(tǒng)，逆變器輸出電壓變化率為 3kV/μs~6kV/μs 的電壓邊沿沿電纜傳輸?shù)诫姍C(jī)端，產(chǎn)生同樣高的電壓變化率。

圖 3-1 a)不帶輸出電抗器

圖 3-1 b)帶輸出電抗器

在安裝了電機(jī)側(cè)輸出電抗器時(shí)，電抗器感抗與電纜寄生電容形成諧振電流，從而大大減小電壓變化率 dv/dt。對(duì)于長(zhǎng)線(xiàn)屏蔽電纜來(lái)說(shuō)，電壓變化率將降至若干 100V/μs（如圖 b）。

然而，由輸出電抗器和電纜寄生電容構(gòu)成的諧振電路僅起到相對(duì)較弱的阻尼作用，這樣可能會(huì)發(fā)生比較嚴(yán)重的電壓超調(diào)。其結(jié)果是在電機(jī)端產(chǎn)生的電壓尖峰與無(wú)輸出電抗器系統(tǒng)中由反射造成的電壓尖峰基本相同。

由于電機(jī)電抗器僅僅抑制電壓變化率而非電壓尖峰 Vpp，所以對(duì)比于無(wú)輸出電抗器系統(tǒng)中的電機(jī)絕緣強(qiáng)度并未減輕。所以電機(jī)側(cè)輸出電抗器并不能做為降低 500V~690V 供電的電機(jī)繞組絕緣強(qiáng)度的合適解決方案，故需采用特殊絕緣強(qiáng)度的電機(jī)系統(tǒng)。電機(jī)繞組絕緣強(qiáng)度的問(wèn)題可通過(guò) dv/dt 濾波器+VPL，或正弦波濾波器解決。

3.2

dv/dt 濾波器 + VPL

• 基本工作原理

dv/dt + VPL 濾波器包括兩個(gè)組件：dv/dt 電抗器和電壓抑制網(wǎng)絡(luò)（峰值電壓抑制器）。

圖 3-2 dv/dt濾波器+VPL結(jié)構(gòu)框圖

dv/dt 電抗器與電機(jī)側(cè)輸出電抗器的作用一致。與所連接的電機(jī)電纜上的寄生電容和內(nèi)置在抑制網(wǎng)絡(luò)中的電容形成諧振電路，將電壓變化率限制在如下數(shù)值，此時(shí)與所連接的電機(jī)電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)：

? dv/dt 濾波器+VPL 下，dv/dt <500V/μs

? 緊湊型 dv/dt 濾波器+VPL 下，dv/dt <1600V/μs

抑制網(wǎng)絡(luò)主要包括二極管整流橋，連接 dv/dt 電抗器的輸出到逆變器直流母線(xiàn)上，那么dv/dt 電抗器輸出的電壓超調(diào)將被限制在直流母線(xiàn)電壓范圍內(nèi)，進(jìn)而抑制了電機(jī)電纜上的尖峰電壓。由于電壓陡度的減小，dv/dt 濾波器輸出電壓與電機(jī)端的電壓基本一致。

圖 3-3 a)不帶 dv/dt 濾波器

圖 3-3 b)帶 dv/dt 濾波器+VPL 或

緊湊型 dv/dt 濾波器 + VPL

dv/dt 濾波器+VPL 和緊湊型 dv/dt 濾波器 + VPL 可有效抑制電機(jī)繞組的電壓變化率和電壓尖峰 Vpp：

? dv/dt 濾波器 + VPL：

電壓變化率 dv/dt<500V/μs

尖峰電壓 Vpp（典型值）<1000V， 在 Vline<575V 下

尖峰電壓 Vpp（典型值）<1250V, 在 660V

? 緊湊型 dv/dt 濾波器+VPL：

電壓變化率 dv/dt<1600V/μs

尖峰電壓 Vpp（典型值）<1150V， 在 Vline<575V 下

尖峰電壓 Vpp（典型值）<1400V, 在 660V

dv/dt 濾波器+VPL 能限制尖峰電壓至 IEC/TS 60034-17:2006(Vpp<1350V) 規(guī)定的限值以下，緊湊型 dv/dt 濾波器+VPL 能限制尖峰電壓至 IEC/TS 60034-25:2007(Vpp<1560V) 規(guī)定的限值以下。

dv/dt 濾波器+VPL 和緊湊型 dv/dt 濾波器+VPL 可有效抑制供電電壓等級(jí)在 500V~690V 范圍內(nèi)的電機(jī)繞組絕緣的影響，在某種程度上無(wú)需對(duì)電機(jī)做特殊絕緣處理。軸電流明顯降低。

安裝使用 dv/dt 濾波器+VPL 后對(duì)于供電電壓 690V 的變頻驅(qū)動(dòng)中的電機(jī)可采用標(biāo)準(zhǔn)絕緣，無(wú)需采用絕緣軸承。這樣即可采用西門(mén)子電機(jī)，也可采用其他生產(chǎn)商的產(chǎn)品。

針對(duì)dv/dt 濾波器+VPL使用需要一定的邊界條件，請(qǐng)參考S120功能手冊(cè)，工程師手冊(cè)等。

3.3

正弦波濾波器

基本工作原理

正弦波濾波器是一類(lèi) LC 低通濾波器，構(gòu)成異常復(fù)雜的濾波方案。正弦波濾波器相較于dv/dt 濾波器+VPL 或緊湊型或緊湊型 dv/dt 濾波器+VPL，更能有效抑制電壓變化率及尖峰電壓 Vpp，但是相關(guān)的脈沖頻率設(shè)置，逆變器輸出的電流/電壓都將有比較苛刻的約束。

圖 3-4 正弦波濾波器原理圖

如下圖所描述，正弦波濾波器提取了逆變器輸出的脈沖模式中的基波分量。所以加載到電機(jī)端的電壓為諧波很小的正弦量。

圖 3-5 采用正弦波濾波器時(shí)的逆變器輸出與電機(jī)端的電壓波形示意圖

正弦波濾波器對(duì)于電壓變化率和尖峰電壓的限制非常有效，其值：

? 電壓變化率 dv/dt<<50V/μs

? 尖峰電壓 Vpp<1.1* √2 *VLine

因此，經(jīng)過(guò)濾波器后加載于電機(jī)端的電壓強(qiáng)度與直接電網(wǎng)供電的運(yùn)行條件基本一致。軸電流大大減少。安裝使用正弦波濾波器后，電機(jī)可采用標(biāo)準(zhǔn)絕緣，無(wú)需采用絕緣軸承。這樣即可采用西門(mén)子電機(jī)，也可采用其他生產(chǎn)商的產(chǎn)品。

采用正弦波濾波器后使電機(jī)電纜上電壓變化率變得很低，對(duì)電磁兼容性具有積極意義。這樣以來(lái)，在電機(jī)電纜較短情況下，考慮 EMC 因素，沒(méi)有必要再采用屏蔽電纜了。

由于加載于電機(jī)端的電壓為非脈動(dòng)的，那么電機(jī)中由變頻器高頻干擾造成的雜散損耗，額外噪聲大大減小，噪聲等級(jí)基本接近于由電網(wǎng)直接供電運(yùn)行的情況。

正弦波濾波器可應(yīng)用于 SINAMCIS S120 功率范圍：

? 380V~480V 供電范圍，變頻器輸出功率到 250kW，400V

? 500V~600V 供電范圍，變頻器輸出功率到 132kW，500V

對(duì)于更大功率等級(jí)的 SINAMICS S120 需要單獨(dú)訂購(gòu)。

針對(duì)正弦波濾波器的使用需要一定的邊界條件，請(qǐng)參考S120功能手冊(cè)，工程師手冊(cè)等。

4 結(jié)論

在本文中給大家介紹了改善現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)絕緣的一些方法。當(dāng)然，還有很多其他的措施，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況有針對(duì)性的分析，并提供相應(yīng)的解決方案。