电动机超两倍幅值过电压及抑制措施的研究

田德宝，张鹏飞，朱永庆，何 庆，张 强

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡721002）

电动机超两倍幅值过电压及抑制措施的研究

田德宝1，2，张鹏飞1，2，朱永庆1，2，何 庆1，2，张 强1，2

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡721002）

基于传输线理论，着重分析电动机端产生两倍幅值过电压的机理，通过Matlab/Simulink仿真软件及实验结果验证了电机端产生过电压及抑制措施的正确性和有效性。

电缆；特性阻抗；双脉冲效应；滤波器

1 引言

随着电力电子技术及新型半导体开关器件的迅猛发展，变频技术已经广泛应用于现代工业、农业及国防等各个领域，发挥了越来越重要的作用。高速功率开关器件的普遍使用，在提高变频器性能的同时，也带来了一些负面影响［1］。

由变频器经长电缆供电给电动机时，由于电缆和电动机特性阻抗不匹配，将在电动机端产生过电压，部分研究者提到过电动机端可能会出现超两倍幅值过电压波反射现象，但是对其产生原因没有进行较为深入的研究［2］。然而电动机绕组的绝缘失效迫使人们深入研究电动机绕组的退化机理。利用传输线理论，分析PWM波反射过程，在实验室中通过搭建仿真电路和模拟电路验证电动机端可能出现超两倍幅值过电压的情况，以及抑制措施的有效性。

2超两倍幅值过电压的产生机理

PWM脉冲波沿传输线传输到电动机端后，由于电缆与电动机特性阻抗不匹配，在电动机端产生电压波反射。当两个脉冲之间的间隔很小时，一个脉冲的高频阻尼振荡还没有完全衰减完毕，下一个脉冲已到来，脉冲叠加，使得电动机端过电压幅值超过两倍，此时会产生双脉冲效应。

电缆在完全充电状态下，如图1（a）所示。此时电缆产生一个近似4μs的暂态干扰，根据波反射原则，变频器端反射系数为Γi≈-1，电动机端反射系数为Γm≈1。为满足边界条件，PWM入射波将以幅值-us向右传输。设传输速度为v，电缆长度为l，入射波将在t＝0时刻向电动机端传输，入射波在t＝tp＝时到达电动机端，在0＜t＜tp内，传输线上电压幅值均为零，如图1（b）所示。

当t＝tp时，入射波到达电动机端，由于特性阻抗不匹配，将在电动机端发生波反射，产生幅值为-Γmus≈-us的反射波向左反向传输。在tp＜t＜2tp内，传输线上电压幅值为-Γmus≈-us，反射的负电压迫使电动机端电压近似为负直流侧电压um（1tp）＝um（0）-us（1+Γm）≈-us，如图1（c）所示。

当t＝2tp时，反射波到达变频器端，由于边界条件要求ui（2）＝0，故在变频器端再次发生反射，反射波即第二次入射波将变为-ΓmΓius≈us，由变频器端向电动机端传输，在2tp＜t＜3tp内，传输线上各处电压为零，电动机端电压为um（2tp）＝um（1tp）≈-us，如图1（d）所示。

当t＝3tp时，第二次入射波到达电动机端，由于阻抗不匹配，在电动机端再次发生反射，形成第二次反射波-ΓiΓ2mus≈us，在时间3tp＜t＜4tp内，传输线上各处电压为us。电动机端电压为um（3tp）＝um（2tp）+［-us（1+Γm）ΓmΓi］≈us，如图1（e）所示。

在4tp＜t＜5tp内，第二次反射波-ΓiΓ2mus≈us向变频器端传输，此时新的脉冲（ui（4）＝us）已到达，与第二次反射波叠加为2us，新脉冲到达电动机端再次发生反射，此时电动机端电压为3us，如图1（f）所示。

图1双脉冲效应波反射过程

3超两倍幅值电压仿真及实验波形

通过对双脉冲效应波反射过程的分析，利用Matlab／Simulink仿真软件建立仿真电路，仿真及实验波形如图2报示。仿真参数如下:选取PWM脉冲频率为f＝1kHz，脉冲电压幅值为Us＝500V，脉冲占空比为D＝90%；电缆分布参数为:电阻R0＝0.02Ω/km，电感L0＝1×10-3H/km，电容C0＝33×10-9F/km；电缆长度为l＝1km，负载特性阻抗Z2＝5000Ω。

图2仿真及实验波形图

由仿真及实验波形对比可以看出，在脉冲陡上升沿和陡下降沿处产生的尖峰过电压及高频阻尼衰减振荡，导致电动机端过电压超过2倍幅值电压。

4超两倍过电压抑制措施

为了便于分析，将分布参数电路的波过程用集中参数等值电路表示，把沿长电缆传输的入射波的2倍作为等值电压源，电动机的特性阻抗Z2及长电缆的波阻抗Z1分别用数值相等的集中参数电阻来代替。长电缆的波反射过程的集中参数等值电路［4］，如图3所示，2Us（p）为等值电源电压。Us为变频器输出电压，L为电抗器的电感。

图3波反射过程的集中参数等值电路

由波反射过程的集中参数等值电路可求得电动机端的电压U2（p）为:

同理，求得电缆始端电压u1（t）

由式（2）、式（3）看出，在电路加装电感后，脉冲波由阶跃脉冲波变成了指数脉冲波，变频器输出脉冲上升沿的du／dt得到了有效控制。由式（3）可知，电缆起始端电压u1（t）最大上升沿du／dt发生在t＝0时刻。

由式（4）可知，只要改变电感值L，就可以把变频器输出PWM脉冲上升沿的du／dt限制在一定的范围内，相当于改变脉冲上升时间，提高长电缆的临界长度，从而就可以抑制波反射过电压的产生。

如果输入的脉冲不是阶跃函数，而是带有一定上升沿时间tr的脉冲，则脉冲上升沿的表达式为:

根据丢阿摩尔积分定理可求出在脉冲上升沿作用下电缆始端的电压u′1（t）的解式为:

用两个极性相反且错开时间为tr的斜波函数相叠加来表示具有一定上升及下降时间的脉冲波形，再根据叠加原理就可以求出脉冲作用下的电缆始端电压u1（t）的解式为:

折射波的最大陡度将发生在t＝tr时，其值为:

由式（9）可以知道，电感可以使脉冲电压折射波的最大陡度减少（在没有电感的时候，脉冲电压折射波的最大陡度为U0／tr）。

当脉冲上升时间tr与电路的时间常数TL的比值越小（即tr／TL越小），那么电感对脉冲上升沿陡度的抑制作用就会越大；然而当脉冲上升时间tr与电路时间常数TL的比值越大时（即tr／TL越大），抑制效果就不明显了。

通过Matlab／Simulink仿真软件搭建仿真电路，其仿真参数如下:PWM脉冲频率f＝500Hz，脉冲幅值Us＝500V，脉冲占空比D＝98%；电缆分布参数为:电阻R0＝0.02Ω/km，电感L0＝1×10-3H/km，电容C0＝15×10-9F/km；电缆长度l＝2km，负载特性阻抗Z2＝2kΩ，输出电抗器的电感值取为Lf＝300mH。

加装输出电抗器前后负载端电压仿真波形对比如图4所示。加装输出电抗器前后负载端电压实验波形如图5所示。由仿真及实验可看出，加装输出电抗器能有效抑制双脉冲效应干扰而引起电动机端超两倍过电压。

图4加装输出电抗器前后负载端电压仿真波形对比图

图5加装输出电抗器前后负载端电压实验波形对比图

5总结

高频PWM脉冲波沿长电缆供电电动机时，由于电缆和电动机特性阻抗不匹配，会在电动机端产生过电压、高频阻尼振荡现象，其过电压幅值接近两倍直流侧电压。当PWM电压脉宽间隔很小时，将会在传输线上发生双脉冲效应，其过电压幅值将会出现超两倍幅值现象。通过理论分析、仿真及实验，验证了在变频器输出端加装电抗器，能有效抑制波反射过电压发生的有效性。

［1］姜艳姝，徐殿国，陈希有等.一种新颖的用于消除PWM逆变器输出共模电压的有源滤波器［J］.中国电机工程学报，2002，22（10）:125-129.

［2］Takahash i，M.Termeyer，T.Lowery，and H.Tsai，Motor Lead Length Issues for IGBT drives，1995 IEEE Pulp and Peper Conference，21-27.

［3］邱关源.电路［M］.北京:高等教育出版社，1999，426-459.

［4］吴广宁，周 凯，高 波.变频电机绝缘老化机理及表征［M］.北京:科学出版社2009，113-130.

［5］刘 聪.采煤机变频调速系统长输出电缆的特性研究［M］.上海:煤炭科学研究总院上海分院，2013，6-14.

Research on twice-amplitude over-voltage and suppression measures for electrical motor

TIAN De-bao1，2，ZHANG Peng-fei1，2，ZHU Yong-qing1，2，HE Qing1，2，ZHANG Qiang1，2
（1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2.National Oil＆Gas Drilling Equipment Engineering Research Center，Baoji 721002，China）

Based on the transmission line theory，the mechanism of producing overvoltage at the end of the motor with twice amplitude and the relevant suppression measures for the twice amplitude over voltage are presented.The simulative experimental results by Matlab/Simulink software show the correctness and effectiveness of the suppression measures for the twice amplitude over voltage at the end of the electrical motor.

cable；characteristic impedance；double-pulse transmission effect；filter

TM307+.3

A

田德宝（1983-），男，河南南阳，工程师，硕士，现主要从事石油装备的设计研发及配套工作。

2016-03-09

1005—7277（2016）04—0001—03