電機(jī)絕緣系統(tǒng)綜述

前言

在變頻器應(yīng)用下的電機(jī)繞組絕緣承受相較于直接電網(wǎng)供電的更高的電壓強(qiáng)度,

在驅(qū)動(dòng)中所采用的調(diào)制方式產(chǎn)生了快速上升的電壓脈沖在長(zhǎng)線電機(jī)電纜中產(chǎn)生的暫態(tài)效應(yīng)將在電機(jī)繞組中產(chǎn)生較高的電壓強(qiáng)度。

對(duì)于供電電壓低于500V的最大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)完全可承受由此產(chǎn)生的電壓強(qiáng)度。

對(duì)于供電電壓高于500V的電機(jī)，需要增強(qiáng)繞組的絕緣系統(tǒng)。也可采用抑制電壓強(qiáng)度以符合電機(jī)允許水平的附加組件的其他措施。

電機(jī)選型原則

對(duì)于額定電機(jī)電壓<=500V情況：

西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)完全適用PWM變頻器/逆變器的變頻應(yīng)用。對(duì)于第三方電機(jī)，在電機(jī)電纜超過(guò)10m時(shí)，需要參考電機(jī)供應(yīng)商所提供的電機(jī)所能承受調(diào)制脈沖電壓的能力。

對(duì)于電機(jī)額定電壓>500V直至690V的情況：

對(duì)于西門(mén)子電機(jī)來(lái)講需要選擇增強(qiáng)絕緣系統(tǒng)的電機(jī)。具有增強(qiáng)絕緣系統(tǒng)的電機(jī)較標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)來(lái)講稍有降容。此類電機(jī)完全適用PWM變頻器/逆變器的變頻應(yīng)用。

對(duì)于第三方電機(jī)，在電機(jī)電纜超過(guò)10m時(shí)，需要參考電機(jī)供應(yīng)商所提供的電機(jī)所能承受調(diào)制脈沖電壓的能力。

選型需要考慮的額外因素

具有“長(zhǎng)”電纜的應(yīng)用：

根據(jù)驅(qū)動(dòng)器額定功率及類型所定義的“電纜長(zhǎng)度”，在低功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的低于10m與對(duì)于高功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的500m范圍內(nèi)會(huì)有所變化。

驅(qū)動(dòng)器的PMW調(diào)制模式的影響：

某些變頻器采用雙極性PWM調(diào)制方式相對(duì)于西門(mén)子驅(qū)動(dòng)器采用的單極性PWM調(diào)制方式，理論上對(duì)電機(jī)繞組的峰值電壓翻倍。

考慮持續(xù)制動(dòng)工作的頻率：

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器主要工作于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，這個(gè)過(guò)程類似于將供電電壓提高20%，這個(gè)因素需要考慮。

有源整流：

對(duì)于帶有PWM有源整流的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有效的供電電壓將提高約15%。

在氣體防爆場(chǎng)合的應(yīng)用：

需要仔細(xì)核對(duì)防爆電機(jī)的變頻運(yùn)行相關(guān)規(guī)范?？蛇x擇西門(mén)子變頻器驅(qū)動(dòng)運(yùn)行防爆電機(jī)1MB系列電機(jī)。參考推文“1MB5防爆電機(jī)選型”。

其他措施：

對(duì)于非上述描述的應(yīng)用場(chǎng)合，比如對(duì)已有電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)改造，或所連接的電機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)缺失等。需要采取額外的防護(hù)措施。

規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

本文涉及PWM變頻器/變頻器運(yùn)行的電機(jī)繞組的電壓強(qiáng)度的考慮，相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)如下：

IEC TS 60034-17版本3（2002）——對(duì)于變頻供電的標(biāo)準(zhǔn)鼠籠式感應(yīng)電機(jī)—應(yīng)用指導(dǎo)。

IEC TS 60034-25當(dāng)前版本1（2004）——對(duì)于變頻供電的特殊設(shè)計(jì)的電機(jī)

IEC 60034-18-41——應(yīng)用于變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電氣絕緣系統(tǒng)的質(zhì)量評(píng)估

IEC 60034-27——局部放電（PD）測(cè)量等。

范圍

本文重點(diǎn)考慮采用IGBT開(kāi)關(guān)器件的電壓源性PWM變頻器/逆變器的運(yùn)行原理及與電機(jī)的接口。分析變頻器/逆變器與電機(jī)之間的供電電纜傳輸線效應(yīng)以及在電機(jī)繞組端部的電壓峰值沖擊。

給出在承受變頻器/逆變器供電下的電機(jī)絕緣能力的建議，以及如何控制峰值電壓和過(guò)量容性電流的措施。

供電電壓范圍最高至690V。

PWM變頻運(yùn)行原理介紹

下面介紹的交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，原因在于其節(jié)能及基于低成本免維護(hù)交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)靈活的工藝與機(jī)械控制?；救框?qū)動(dòng)系統(tǒng)都采用了功率器件開(kāi)關(guān)技術(shù)，從而產(chǎn)生很高電壓變化率。

現(xiàn)代交流驅(qū)動(dòng)器基本都采用了諸如IGBT的快速開(kāi)關(guān)切換的功率半導(dǎo)體器件的電壓源PWM變頻器/逆變器，原因在于IGBT器件具有良好的可靠性及低開(kāi)關(guān)損耗特性。

基本工作原理介紹

逆變器中的功率半導(dǎo)體器件（IGBT=絕緣柵雙極性晶體管）是高速電子開(kāi)關(guān)。將變頻器輸出連接到直流母線的正極或負(fù)極。逆變器門(mén)極控制信號(hào)的持續(xù)時(shí)間和直流母線電壓的幅值決定了輸出電壓（即所連接的電機(jī)電壓）的大小。

西門(mén)子普遍采用空間矢量調(diào)制技術(shù)，在一個(gè)脈沖周期（調(diào)制頻率）內(nèi)通過(guò)相鄰兩個(gè)空間矢量的作用時(shí)間和零脈沖作用時(shí)間實(shí)現(xiàn)電機(jī)電壓矢量在空間的移動(dòng)（電機(jī)運(yùn)行頻率控制）及幅值（基波有效電壓幅值）。

驅(qū)動(dòng)的脈沖頻率通常采用較高的開(kāi)關(guān)頻率，好處在于，比如可有效減小電機(jī)的噪聲。但是較高的開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)更短的電壓脈沖上升率，將形成很陡峭的上升沿。

下表中樣例描述了功率器件（IGBT）的脈沖上升時(shí)間與基波頻率和開(kāi)關(guān)頻率之間的對(duì)比：