变频器的微浪涌电压抑制技术

0 引言
　　随着世界性的环境保护意识的提高和节能要求的迅速发展，特别是在工业用电机控制中，以电力半导体组件组装的变频器正成为应用的主流。

　　但当变频器和电机之间的接线距离很长时，电机接线端因变频器的高速开关过程引起的微浪涌电压，给电机的绝缘带来影响，造成电机损伤。这里把浪涌称为微浪涌是为了区别于雷电等突发的强大浪涌，微浪涌从示波器上看是密集的、连续存在的、很窄的尖峰电压。

　　本文对微浪涌电压的发生机理及其对电机的影响作了分析，介绍了抑制微浪涌电压的技术，以及最近出现的衰减微浪涌电压的产品和采用细线径传输为特征的微浪涌抑制组件的工作原理等。

1 微浪涌电压的发生机理

　　1.1 变频器的输出电压波形

　　变频器主要由把交流市电整流成直流的整流器、平滑电压脉动的电容器、6 个开关器件构成的逆变器所组成。如图1 所示，逆变器部分输出由改变脉冲宽度（PWM 波）形成的等效正弦波交流电压去驱动电机。近几年的变频器为了使电机低噪音化，逆变部分的开关器件采用IGBT进行着高速开关动作。因此，在PWM 波的每个脉冲上升和下降时，即开关时间以非常短的时间驻t=0.1~0.3 滋s切换着的时候，使逆变器内部的直流电压Ed（400 V电力系统用逆变器的Ed=600 V左右）因切换所形成的电压变化率dv/dt变得很大，这是产生微浪涌的主要根源之一。

　　1.2 微浪涌电压

　　微浪涌电压是变频器和电机之间的接线长度很长时，在电机接线端产生的极细的尖峰浪涌电压。如图2所示，逆变器的输出电压是脉冲状，在电机接线端子上发现在脉冲状的波形上又叠加了微浪涌电压尖峰。一般情况下，微浪涌电压的尖峰值将会是逆变器内部的直流电压的2 倍。

　　1.3 阻抗不匹配形成的反射

　　变频器的输出脉冲上升或下降时间很短，是叠加在变频器输出给电机的驱动频率（基波）及脉冲调制频率（调制波）之外的高频成分。一般情况下，变频器与电机连接电缆的阻抗ZL是50~100 赘，而电机本身的阻抗ZM，一般数百kW的电机也都超过1 k赘，是电缆阻抗的10 倍以上。这样，在电机的接线端子上将发生阻抗的不匹配现象，造成高频波成分的反射。在不匹配阻抗连接处的反射系数M为

　　变器的输出脉冲同一极性、几乎同一大小的反射波，叠加后成为微浪涌尖峰电压。图3 形象地表示了反射的情况，微浪涌电压就像海浪遇到障碍一样被抬得很高。图4 表示实际电缆和电机的阻抗差别，一般电机的阻抗是电缆特性阻抗的10 倍以上，所以反射总是存在。

　　1.4 微浪涌发生的实例
　　
　　某一变频器和电机额定值都是AC 400 V输入、功率3.7 kW，运行电网电压AC 460 V，输电电缆长度50 m。空载条件下，测量出变频器内部直流中间电压为620 V，用示波器看到的电机接线端子上的微浪涌波形如图缘所示，图中，微浪涌电压值高达直流1 250 V，这对电机绝缘产生破坏并加速其老化。

　　测量变频器与电机间不同布线电缆长度时的微浪涌电压如图6 所示，这是在IGBT 调制频率2 kHz，脉冲上升时间驻t=0.1 滋s 的常见条件下的测量值，可以看到电缆长度超过100 m后，微浪涌电压保持在变频器内部直流电压2 倍的水平不变。而电缆长度超过20 m就要重视微浪涌电压可能已经超过变频器内部直流电压1.8 倍的情况。

2 微浪涌电压对电机的影响

　　电机内部的断面如图7 所示。电机有定子和转子，定子内有安放三相线圈的槽。如果放大槽的内部，可以看到有许多的线圈（漆包线），各线圈对地之间、各相之间、线匝相互之间都有绝缘存在。通常对地、相间都有绝缘纸插入，而线匝之间没有绝缘纸插入，它利用坚固的漆包线的漆层获得绝缘。微浪涌电压给这些绝缘全部带来影响，这些绝缘损坏之中，线圈匝间损坏最多。表1 列出了有关电机内部各绝缘部分承受的电压值，也称为电压应力，提供了用市电电源驱动电机和用变频器驱动时相比较的资料。

　　2.1 对线圈匝间的绝缘破坏

　　浪涌电压渗入电机内部的时候，线圈匝间究竟加上多少电压，模拟结果如图8所示。该模拟是将测量点放在电机的每一线圈上（电机槽内的漆包线圈上），在U-V之间加上上升时间0.14 滋s 的浪涌电压的测量的结果。U-S1之间是第1 线圈分担的电压，测得它分担了全电压65豫耀75%，而别的线圈S1-S2、S2-S3、S3-V 之间分担了10豫耀20%，这是因为电机内部的阻抗大，微浪涌电压在逐渐衰减。

在电机的制造过程中，漆包线线圈的起头到末尾完全分离不易做到，多数情况下是乱绕的，槽里边线头和线尾可能紧挨着。如果这样就会发生线匝之间由于微浪涌电压的电晕放电（局部放电）。那怕放电部分时间极其短促，局部也会达到10 000益