变频器行波反射叠加效应研究

刘鹏飞

（国家能源集团宁夏煤业公司煤制油分公司，宁夏 灵武 750411）

0 引言

随着大型工业化和自动化的运用，变频器的调速控制和节能的显著特点，广泛应用于现代企业，但因变频器的自身输出特性产生的谐波分量和电缆分布电容的影响，增加了损耗，并在电缆长距离传输中由于行波反射叠加效应，使得机端脉冲电压峰值超过允许耐压值，严重影响和损坏设备绝缘性能[1]。本文就变频器电缆传输行波反射叠加效应造成机端脉冲电压超标进行研究，并采取消减治理措施从而得到妥善解决方法。

1 概述

某大型煤炭间接液化项目，其设计配套的六套101500Nm3/h空分装置和一套后备系统，每套空分装置配置三台低温液氧泵共计21台，液氧泵电动机为HELMKE生产的660V、210kW的进口电动机，配置施耐德ATV61 250kW变频器进行调速控制。自开车以来，先后出现四台液氧泵变频器报接地故障，现场检测电动机绝缘良好，相间直阻不平衡，拆检检测试验发现损坏部位均为电动机定子绕组端部匝间短路[2]。

2 原因分析

通过对损坏的电动机进行拆检和各项检测试验，直流阶梯波电压检测定子绕组绝缘良好，匝间检测发现电动机定子绕组端部匝间短路故障，四台电动机的损坏原因均为定子绕组端部匝间短路故障。通过对供电系统电源、变频器配置及参数设置、供电电缆等方面进行检测分析，未发现异常情况[3-5]。通过现场电动机位置分布发现四台损坏的电动机均位于装置的最边缘，也就是距离供电电源最远，其供电电缆较长（超过200m），为了进一步分析原因及检测验证，由第三方检测单位苏州电科院对变频器输入、输出及机端电压进行实际检测，其检测结果如下：

（1）1#机组液氧泵C电动机机端电压（电缆长度290m）：机端电压峰-峰值Upp=4.638kV，脉冲电压峰值Upk=2.319kV，超出了电动机EN60034标准允许耐受电压2.150kV。

（2）6#机组液氧泵A电动机机端电压（电缆长度283m）：机端电压峰-峰值Upp=4.534kV，脉冲电压峰值Upk=2.267kV，超出了电动机EN60034标准允许耐受电压2.150kV。

（3）4#机组液氧泵C机端电压（电缆长度199m）：机端电压峰-峰值Upp=4.270kV，脉冲电压峰值Upk=2.135kV，小于电动机EN60034标准允许耐受电压2.150kV。

通过以上实际检测波形可以看出，1#、6#机组由于电缆长度较长（超过200m），机端脉冲电压超过电动机EN允许耐受电压2.150kV。实际损坏的四台电动机都因供电电缆较长，超出变频器允许供电电缆长度，在长电缆传输的情况下阻抗不匹配，造成行波反射电压波叠加，使得机端峰值脉冲电压超过了电动机允许的耐压，导致电动机匝间绝缘损坏。

3 行波反射叠加效应研究

变频器整流逆变回路的非线性特性，其输出的电压波形不是正弦波，并含有大量的谐波分量，由于电力电缆的分布电容对谐波电流的放大作用，在电缆传输中形成行波反射叠加效应引起机端电压升高，电缆越长其冲击电压越大，甚至可以达到输出电压的2倍，严重影响设备绝缘性能[6]。因此电动机电缆长度对变频器的输出距离有很大影响。

3.1 电缆的分布电容

分布电容，是指由非电容形态形成的一种分布参数，任何两个存在压差的绝缘导体之间都会形成分布电容，而电缆的分布电容大小取决于电缆的绝缘材料、长度、尺寸等因素。一般情况下，电容值很小可以忽略不计，但是如果电缆线路较长，分布电容的影响较大，就必须考虑分布电容的影响。所以，变频器输出距离就与电缆的分布电容有密切关系，电缆线路越长，分布电容的影响就越大。

3.2 变频器谐波分量

目前，绝大多数变频器都采用PWM脉宽调制技术，并使用高性能的IGBT，因变频器逆变回路开关功率器件的非线性特性，其输出电压为非正弦波，从而产生大量的高次谐波分量，引起电动机过热、过电压，造成设备绝缘老化损坏。谐波不仅会引起谐振，使谐波分量放大，引发过电压，而且会造成电磁干扰，导致其它设备误动作。

3.3 变频器输出功率

变频器输出功率直接决定变频器到电动机的电缆连接长度，变频器输出功率越大相对应的电缆长度也就越长。电缆的分布电容、变频器谐波分量和输出功率直接影响变频器输出电缆的距离[7]。

4 消减措施

根据以上行波反射叠加效应影响因素分析研究，可以采取以下消减措施加以解决。

4.1 调整开关频率，减少谐波分量

变频器的开关频率决定逆变器IGBT功率模块的开断次数，变频器的开关频率越高，则电压的占空比越大，变频器输出的波形平滑性越好，高次谐波分量就越小；开关频率越高，电缆的分布电容的容抗也就越小（Xc=1/2πfc）。因此，将原变频器开关频率由2.5kHZ提高到3kHZ，改善变频器的输出波形。

4.2 使用输入/输出电抗器

当变频器的输出电缆距离较长，就需要考虑在变频器的输入输出侧加装电抗器。变频器输入侧加装交流电抗器，可以抑制谐波电流的影响，减少电源侧浪涌对变频器的冲击。变频器输出侧加装交流电抗器，可以把变频器输出的PWM调制波滤波成正弦波，可以有效降低高次谐波，减少电动机电磁噪音和损耗。

4.3 加装正弦波滤波器

随着变频器输出距离问题，使用电抗器已不能满足长电缆（大于100m）的传输要求。由于变频器的输出含有大量的高次谐波，增加了电缆和电机的损耗，此时电机电缆长距离传输，行波反射引起机端端电压叠加，使得电机绝缘损坏。在变频器输出侧加装正弦滤波器可以有效解决这一问题。

正弦滤波器由高频电抗器、RC组件、共模电抗器等组成如图1所示，正弦滤波器可以滤除变频器SPWM波形的谐波成分，使变频器输出的波形为正弦波，有效抑制高频损耗和电压变化率dv/dt射频干扰，极大地提高了电缆传输长度。原变频器已加装输入输出电抗器，但因电缆长度(超过260m），无法满足使用要求，因此在变频器输出侧加装正弦滤波器，减少电缆行波反射叠加效应，可以有效抑制变频器高频谐波的影响及射频干扰，保护电机免受尖峰电压影响，延长电机的绝缘和寿命，同时抑制变频器输出的电磁干扰，消除电机的电磁噪音，增加电缆的传输距离，实现变频器的远距离传输。

5 结论

本文通过分析研究变频器电缆分布电容及行波反射叠加效应使得机端脉冲电压峰值超过允许值，并采取加装正弦滤波器等切实可行的措施，解决了变频器远距离传输行波反射叠加效应造成电动机绝缘损坏的问题，对实际生产具有很强的指导意义。