遼化公司科協(xié)自然科學(xué)2010年度學(xué)術(shù)論文評審表作者姓名安學(xué)文工作單位尼龍廠電氣車間職務(wù)干部職稱助理工程師論文摘要變頻器在得到越來越廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也存在一些負(fù)面影響。變頻器的PWM波通過長電纜傳輸時(shí)，存在的反射波現(xiàn)象就是其中之一。它使電機(jī)絕緣老化，甚至擊穿。本文介紹了傳輸線上反射波的概念，以及長電纜時(shí)反射波現(xiàn)象對電動(dòng)機(jī)及電纜的危害、產(chǎn)生危害的原因及后果。針對反射波原理及危害，本文介紹了具體的對策，以及應(yīng)用效果。評審意見組長簽字 年 月 日長電纜時(shí)PWM變頻器的反射波現(xiàn)象與對策作者單位：尼龍廠電氣車間作者姓名：安學(xué)文呈報(bào)時(shí)間：2010年8月16日目錄TOC\o"1-5"\h\z作者簡介 1論文摘要 1\o"CurrentDocument"長電纜時(shí)PWM變頻器的反射波現(xiàn)象與對策 3一、引言 1二、長電纜時(shí)PWM變頻器的反射波現(xiàn)象及其危害 3三、對策 7四、總結(jié) 8參考文獻(xiàn)： 9作者簡介作者安學(xué)文，男，出生于1976年12月31日，2007年3月畢業(yè)于東北信息大學(xué)信息學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)，研究生學(xué)歷?，F(xiàn)任尼龍廠電氣車間助理工程師，負(fù)責(zé)電氣運(yùn)行方面的工作，參與本單位110V、48V直流柜改造等工作。聯(lián)系方式：遼陽市宏偉區(qū)石化路003號，郵編：111003，電話：5153656。論文摘要變頻器在得到越來越廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也存在一些負(fù)面影響。變頻器的PWM波通過長電纜傳輸時(shí)，存在的反射波現(xiàn)象就是其中之一。它使電機(jī)絕緣老化，甚至擊穿。本文介紹了傳輸線上反射波的概念，以及長電纜時(shí)反射波現(xiàn)象對電動(dòng)機(jī)及電纜的危害、產(chǎn)生危害的原因及后果。針對反射波原理及危害，本文介紹了具體的對策，以及應(yīng)用效果。關(guān)鍵詞：變頻器；反射波；長電纜長電纜時(shí)PWM變頻器的反射波現(xiàn)象與對策一、引言變頻器以其優(yōu)良的調(diào)速性能，良好的節(jié)能效果，在工業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也存在一些負(fù)面影響。變頻器的PWM波通過長電纜傳輸時(shí)，存在反射波現(xiàn)象，導(dǎo)致電機(jī)側(cè)電壓峰值增加，從而使電機(jī)繞組和電纜絕緣老化，甚至絕緣擊穿。反射波與橋架內(nèi)的電纜耦合，使泄漏電流增大，損耗能量。變頻器產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)、電機(jī)及周圍電子設(shè)備產(chǎn)生不良影響。二、長電纜時(shí)PWM變頻器的反射波現(xiàn)象及其危害反射波的概念在電路理論中如果實(shí)際電路的尺寸遠(yuǎn)小于工作頻率所對應(yīng)的波長，可以用集中參數(shù)電路電路來描述，否則，該電路只能用分布參數(shù)電路來描述。傳輸線電路常常需要用分布電路的理論來分析。按分布參數(shù)電路的觀點(diǎn),一小段傳輸線可等效為由分布電阻R（歐/米）、分布1電感L（亨/米）、分布電導(dǎo)G（西/米）和分布電容C（法/米）等集總元件構(gòu)成的T型網(wǎng)絡(luò)（對111無耗線,R=G=O）,實(shí)際的傳輸線表示為各段等效網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)（圖1）。11傳輸線方程又稱電報(bào)方程，是說明傳輸線上電壓U和電流I之間關(guān)系的微分方程組。dudi—=Ri+L—dx11dxdidu—=Gu+C—dx1dx丿L1R1R1L1L1R1R1L1G1r-rvvy、|1―C1l——| 廠nG1*rv | 1—1—1 G1二二C1 單位長度 ?圖1傳輸線的電路模型設(shè)傳輸線與z軸平行、時(shí)諧信號(時(shí)諧因子為已)的傳輸角頻率為3、分布阻抗Z二1R+jwL、分布導(dǎo)納Y=G+jwC，則傳輸線方程可寫成11111dU(z)dzdU(z)dz=ZI(z)1(2)dI(z)dz=YU(z)1口Jii：奸TV：其解U(z)和I(z)都由含因子日的兩項(xiàng)組成，分別表示朝土z方向傳播的行波,其中匕稱為傳播常數(shù)，一般，傳輸線上的電壓和電流各由上述兩相反方向的行波合成，形成駐波分布。傳播常數(shù)描述電壓或電流行波沿傳輸線行進(jìn)過程中的衰減和相移的參量。通常，它是一個(gè)復(fù)常數(shù)TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"Y=a+jp=.：ZY (3)式中?稱為衰減常數(shù)，單位是奈/米或分貝/米(1奈/米=8.686分貝/米)；卩稱為相移常數(shù),單位是弧度/米。特性阻抗傳輸線上行波傳播時(shí)的電壓與電流之比。通常它也是復(fù)常數(shù)Z=Qz/Y (4)0 ii對無耗線\o"CurrentDocument"Z=Jl/C (5)011它與頻率無關(guān)，僅取決于線本身的物理參數(shù)和幾何尺寸，可表征傳輸線的“特性”，故稱特性阻抗。反射系數(shù)傳輸線上某點(diǎn)處反射波電壓與入射波電壓之比為該點(diǎn)的電壓反射系數(shù)，簡稱反射系數(shù)，通常是復(fù)數(shù)。入射波和反射波的表達(dá)式分別為(6)U=V2U+-e-axsin(wt一卩x)(6)IU=<'2U--eaxsin(wt+Px)1-0反射系數(shù)為U Z—Z耳= ==—l o-e-2yxU Z+Z+ L 0阻抗匹配電壓從源端經(jīng)傳輸線傳向終端，當(dāng)終端接有負(fù)載阻抗zHZ時(shí)，則傳向負(fù)L0載的入射波將激起從負(fù)載向源方向的反射波。要使傳輸線向負(fù)載有最大的功率轉(zhuǎn)移，即要求負(fù)載阻抗與傳輸線的特性阻抗相等。如果負(fù)載阻抗與傳輸線的特性阻抗并不相等，就需要在傳輸線的輸出端與負(fù)載之間接入阻抗變換器，使后者的輸入阻抗作為等效負(fù)載而與傳輸線的特性阻抗相等，從而實(shí)現(xiàn)傳輸線上Z=Z。阻抗變換器的L0作用實(shí)質(zhì)上是人為地產(chǎn)生一種反射波，使之與實(shí)際負(fù)載的反射波相抵消。圖2入射波和反射波的波形長電纜時(shí)PWM變頻器的反射波現(xiàn)象及其危害變頻器和電機(jī)之間的電纜對于PWM波來說是明顯的阻抗，電纜的阻抗與長度成正比，如果電纜阻抗和電機(jī)阻抗不匹配，反射波現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生，使電機(jī)端出現(xiàn)電壓峰值，可能使電機(jī)絕緣擊穿。電機(jī)端的PWM輸出波形如圖3所示。三相電纜

圖3電機(jī)端的PWM輸出波特性阻抗Z一般在50-200歐姆之間，如果電機(jī)阻抗(負(fù)載阻抗)Z Z，電機(jī)端的0LOAD0電壓峰值將是母線端電壓峰值的2-4倍，PWM波的上升時(shí)間越快，電機(jī)端的反射波電壓越高如圖4所示，變頻器中逆變部分電力電子器件的開關(guān)速度越快，上升時(shí)間越短，反射波越大電機(jī)過電壓越高，傳輸距離越短。2.22.86421110電機(jī)過電壓電纜壓度100半導(dǎo)體器件50ns2.22.86421110電機(jī)過電壓電纜壓度100半導(dǎo)體器件50ns100nsIGBTYi200ns400ns600nsBJTfL1us2us4usGTO1000圖4電力電子器件開關(guān)速度對過電壓情況的影響電機(jī)的絕緣老化或絕緣擊穿可能由以下原因造成：過電壓超過空氣的擊穿電壓時(shí)，使絕緣能力降低，發(fā)生頻繁的局部放電；光環(huán)效應(yīng)——過電壓電離繞組周圍的空氣后，產(chǎn)生的弧光穿過繞組，使絕緣立即遭到毀壞；過電壓超過導(dǎo)磁材料的絕緣能力。圖5反射波現(xiàn)象對電機(jī)外層繞組的影響反射波現(xiàn)象在電機(jī)端產(chǎn)生的過電壓有60-80%分布在電機(jī)最表面的繞組上，常常使絕緣能力差的電動(dòng)機(jī)外層繞組絕緣老化甚至絕緣擊穿。圖5是典型的由反射波現(xiàn)象引起的絕緣老化現(xiàn)象。反射波現(xiàn)象在小功率的變頻器/電機(jī)上具有更大的危害，因?yàn)樾」β首冾l器具有更小的上升時(shí)間，小功率電機(jī)具有更低的絕緣性能等，所以應(yīng)該更加重視長電纜時(shí)小功率變頻器/電機(jī)的反射波問題。三、對策從前面的分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在長電纜接線時(shí)，電機(jī)側(cè)存在電壓峰值，它對電機(jī)絕緣的破壞主要基于以下兩個(gè)原因，第一是電壓的幅值，第二是PWM波的上升時(shí)間。這兩點(diǎn)與電纜特性、長度、變頻器PWM調(diào)制技術(shù)與PWM開關(guān)頻率、脈沖上升時(shí)間及電機(jī)特性等有關(guān)。一般如果電纜長度超過300米就要考慮反射波的影響了。針對由反射波現(xiàn)象引起的電機(jī)側(cè)過電壓，可采取以下對策：使用專用的高耐壓等級的變頻電機(jī)，現(xiàn)在變頻電機(jī)的耐壓一般都達(dá)到2.4kV，有的電機(jī)達(dá)到3-5kV,這保證了它們的耐壓性能；同時(shí)注意電纜的正確選型與配置。變頻器廠家在軟件上延長PWM波的上升時(shí)間，但這種方法效果不明顯。盡可能使用短電纜。在電機(jī)側(cè)安裝反射波抑制器，這種方法的實(shí)質(zhì)是在電機(jī)側(cè)增加阻抗使之與電纜阻抗相匹配。根據(jù)反射波理論，可以有效抑制反射波現(xiàn)象的發(fā)生，減小了電機(jī)側(cè)電壓峰值，但由于現(xiàn)場安裝條件的限制，這種方法使用較少。5）在變頻器側(cè)安裝濾波裝置。①、可以在變頻器輸出側(cè)串電抗器，這種辦法最簡單、成本最低，但效果一般。電抗值不能太大，阻抗壓降控制在（3?5）%的額定電壓值；②、可以用RL濾波器，這種辦法效果要好一些，成本也增加了；③、可以用RLC正弦濾波器，將高頻電流旁路，在電機(jī)端獲得近似正弦電壓與電流，這種方法效果較好。但要注意：變頻器的功率、電纜長度、電力電子器件的開關(guān)頻率各不相同，正弦濾波器要專門定制或設(shè)計(jì)。正確安裝正弦濾波器后，電纜的傳輸距離最大可達(dá)3000多米。④、可以用有源濾波器，使輸出電壓、電流近似為正弦波。下面圖6為使用RLC正弦濾波器與沒有使用濾波器時(shí)，電機(jī)端電壓的對比圖?？梢钥闯稣覟V波器具有很好的濾波效果。 變頻器輸出 沒有輸出濾波器時(shí)的電機(jī)端電壓 有輸出濾波器時(shí)的電機(jī)端電壓圖6正弦濾波器的效果四、總結(jié)電壓在長距離傳輸線上傳播，由于分布電容和分布電感的存在，當(dāng)電纜的特性阻抗與電機(jī)的等效阻抗不相等時(shí)，會(huì)在電機(jī)端發(fā)生反射現(xiàn)象。本文對電機(jī)通過長電纜由PWM變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)，在電機(jī)側(cè)發(fā)生電壓反射的現(xiàn)象進(jìn)行了分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也說明電機(jī)側(cè)過電壓隨著電纜長度的增加而增加，隨著電力電子器件開關(guān)頻率的增加而增加，