摘要：本文著重討論了交流變頻電機(jī)在各種實(shí)際工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合中的供電電纜長(zhǎng)度設(shè)計(jì)問題。同時(shí)針對(duì)某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合中變頻器與電機(jī)間的供電方式及配置給出了相應(yīng)的方案。

1引言

自從上世紀(jì)90年代初期交流變頻調(diào)速技術(shù)在中國(guó)推廣應(yīng)用以來，相比傳統(tǒng)直流電機(jī)，其無論是在降低能耗，還是降低維護(hù)費(fèi)用方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)。隨著交流變頻電機(jī)的廣泛應(yīng)用其在使用過程中出現(xiàn)的一些突出問題需引起工程人員重視。本文著重討論各種應(yīng)用場(chǎng)合下設(shè)計(jì)人員對(duì)于交流變頻電機(jī)與變頻器間電纜選型規(guī)范及其實(shí)際應(yīng)用中需注意的各種問題。

2變頻器和電機(jī)間最短電纜長(zhǎng)度的概念

首先需要建立交流變頻電機(jī)與其變頻器間存在最短允許電纜長(zhǎng)度的概念。

圖1

如圖1所示，變頻電機(jī)和變頻器間的電纜，對(duì)地存在分布電容，按照變頻器輸出的脈寬調(diào)制波上升沿為Tr=0.1μs，電信號(hào)延電纜傳輸速度為V=150m/μs計(jì)算。

從圖2可以看出，變頻器輸出的電壓波形的上升沿，傳遞到電機(jī)其最短電纜長(zhǎng)度為7.5m。按此計(jì)算，要求變頻器和電機(jī)間最小電纜長(zhǎng)度必須大于7.5m,才能保證變頻器輸出的功率能夠滿功率傳送到電機(jī)端。

圖2

3普通應(yīng)用時(shí)變頻器和電機(jī)間的最大允許電纜長(zhǎng)度

在普通應(yīng)用場(chǎng)合下，變頻器和電機(jī)間最大允許電纜長(zhǎng)度由電纜的分布電容、電機(jī)的耐壓等級(jí)、變頻器輸出脈沖波和回波疊加等多種因素決定。

對(duì)于變頻電機(jī)，其耐壓遵循Vpp=2*Vdc，故交流400V進(jìn)線電壓的變頻系統(tǒng)電機(jī)的耐壓應(yīng)大于1080V.

圖3

如上圖3所示，變頻器帶電抗器和不帶電抗器二種情況下電機(jī)端的輸入電壓波形，可見由于采用了輸出電抗器其dv/dt可以由0.1μs延長(zhǎng)至4μs。由章節(jié)一內(nèi)（公式1）Vr可知，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)允許的最長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度為300m。

綜合考慮以上內(nèi)容可得結(jié)論：?jiǎn)闻_(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)單電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合，如果變頻器輸出不加電抗器，Tr=1μs條件下，最大電纜長(zhǎng)度應(yīng)該控制在75米左右。若所需電纜超出這個(gè)長(zhǎng)度則設(shè)計(jì)中應(yīng)增加輸出電抗器且仍需將電纜總長(zhǎng)度控制在300米內(nèi)，以保證電機(jī)允許滿負(fù)荷且穩(wěn)定運(yùn)行。

如果是單臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合（如下圖4所示），則要根據(jù)變頻器到電纜分配箱的距離以及分配箱到電機(jī)的距離計(jì)算出允許的最大電纜長(zhǎng)度。

圖4

其中，電纜分布電容參考值可參考上表1所示

表1

計(jì)算舉例：

變頻器規(guī)格：250KW,400V。驅(qū)動(dòng)10臺(tái)22KW，400V電機(jī)。

變頻器到電纜分配箱距離100米，主電纜規(guī)格為3*150mm2*3條，分配箱到電機(jī)電纜規(guī)格為3*16mm2

要求計(jì)算由電纜分配箱到電機(jī)電纜長(zhǎng)度的最大允許值。

假設(shè)250KW變頻器驅(qū)動(dòng)單電機(jī)時(shí)使用3*185mm2*2條帶入上文（公式2）可得：

計(jì)算允許最大電纜長(zhǎng)度為：49.35米

4特殊應(yīng)用時(shí)變頻器和機(jī)間的最大允許電纜長(zhǎng)度

采用變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)還有些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，其電纜長(zhǎng)度會(huì)達(dá)到幾公里，比如泵類驅(qū)動(dòng)，輥道驅(qū)動(dòng)等。這類應(yīng)用通常只能采用V/F控制方式。由于電纜長(zhǎng)度加長(zhǎng)可能產(chǎn)生回波疊加效應(yīng)，造成電纜過壓擊穿，對(duì)于這類應(yīng)用可采用以下方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1采用dv/dt濾波器輸出

圖5

上圖5所示為dv/dt濾波器示意圖，經(jīng)由該濾波器濾波后的輸出電壓波形，到達(dá)電機(jī)端時(shí)便不會(huì)存在回波疊加效應(yīng)，進(jìn)而避免電纜過壓擊穿現(xiàn)象。如圖6所示，采用dv/dt濾波器其允許電纜長(zhǎng)度可相比于采用傳統(tǒng)輸出電抗器輸出時(shí)延長(zhǎng)1.2—1.5倍，且采用這種配置方式適宜矢量和V/F控制方式。

圖6

4.2正弦波濾波器

在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，當(dāng)變頻器到電機(jī)間距離超過1000m,或者采用高-低-高方式供電時(shí)，變頻器輸出端必須采用正弦波濾波器，這樣在負(fù)載端得到的是接近正弦波的供電波形。

圖7

負(fù)載端的dv/dt＜50V/μs，正弦波濾波器要求變頻器不能使用邊緣調(diào)制，且其斬波頻率固定，只能采用V/F工作方式，電壓降為8%左右。

圖8

如上圖8所示，為正弦濾波器原理圖，其諧振頻率與斬波頻率相關(guān)，約為其1/3，且大于工頻10倍以上。

5降低電機(jī)軸電流

由于采用變頻斬波供電，電機(jī)定子繞組和轉(zhuǎn)子間存在不平衡磁場(chǎng)，這樣會(huì)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生軸電流，當(dāng)軸電流較大時(shí)會(huì)帶來以下危害：

損壞電機(jī)軸承

影響測(cè)速碼盤精度

轉(zhuǎn)子軸磁化

圖9

實(shí)際工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，減小軸電流比較可行的辦法是要求工廠地接地電阻＜4Ω，降低軸電流對(duì)電機(jī)的損害可以延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命。

圖10

如圖10示意，消除軸電流有效做法包括：

使用屏蔽電纜

電機(jī)、減速機(jī)和機(jī)械均可靠接地

傳動(dòng)裝置可靠接地

大型交流電機(jī)裝接地碳刷

伴隨變頻電機(jī)控制在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛使用，降低系統(tǒng)干擾、延長(zhǎng)電機(jī)壽命、增加傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性就變的越來越重要，文章介紹的變頻器應(yīng)用的一點(diǎn)知識(shí)，對(duì)于工程實(shí)踐起到了一定的幫助。