关于变频器的输出与电缆长度关系的研究

1 引言

　　变频器主要用于交流电动机转速调节，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。但是由于变频器的自身输出特性和电缆分布电容的耦合作用，限制了变频器的输出距离。

2 原因分析

　　变频器的输出到电机的电缆长度受到很多因素的影响，这其中的原因主要有以下几点：

　　（1）分布电容。所谓分布电容，就是指由非电容形态形成的一种分布参数。一般是指在印制板或其他形态的电路形式，在线与线之间、印制板的上下层之间形成的电容。而变频器输出距离受限的问题，和电缆的分布电容有密切关系，不只是电容器才有电容，实际上任何两个绝缘导体之间都存在电容。例如导线之间，导线与大地之间，都是被绝缘层和空气介质隔开的，所以都存在着电容。图1为4芯和7芯电缆的等效分布电容结构图。

　　通常情况下，这个电容值很小（一般在15～30nf/100m左右），电缆长度较短时，它的实际影响可以忽略不计，如果电缆很长或传输信号频率很高时，就必须考虑分布电容的作用。在电缆远距离敷设系统中，电缆的电容会表现的较为明显，对控制回路产生一定的影响，甚至影响控制功能，特别是对于变频器控制普通低压电机的控制回路，故障较多表现为过流、起停失灵等现象，给生产和维护造成很大的安全隐患。由于输出线上的分布电容和分布电感的共振产生浪涌电压，将会叠加到输出电压上，晶体管、igbt的开关频率越高，电缆越长，产生的浪涌电压越高，最高时，可产生直流电压的两倍的浪涌电压。这种情况下，很容易引起过压过流保护，甚至烧坏模块。

　　分布电容是一种分布参数，其数值不仅随电缆的生产厂商不同而存在差异，而且会因为电缆的敷设方式、工作状态和外界环境因素而不同，这需要在设计时综合考虑。

　　（2）变频器本体输出问题

　　目前，几乎所有的变频器都采用pwm（pulse widthmodulation）脉宽调制技术，但是由于变频器中的功率开关器件工作在开关状态，器件的高速开关动作使得电压和电流在短时间内发生跳变，这使得电压、电流波形中含有大量的谐波成分，其中高次谐波会使变频器输出电流增大，造成电机绕组发热，产生振动和噪声，加速绝缘老化，还可能损坏电机；同时各种频率的谐波会向空间发射不同频率的无线电干扰，可能导致其它设备误动作。因此，希望把变频器安放在被控电机的附近。但是，由于生产现场空间的限制，变频器和电机之间往往要有一定距离。

　　（3）变频器的功率

　　变频器的功率大小直接决定变频器输出到被控电机的电缆长度，变频器（未接输出电抗器）功率越大其相应的输出电缆长度也相应越长。以上三方面都会直接影响变频器输出到电机的电缆长度，根据以上原因的分析下面具体对改善方法作进一步研究。

3 改善方案

　　3.1 调整载波频率，减少谐波干扰

　　变频器的载波频率就是决定逆变器的功率开关器件（如：igbt）的开通与关断的次数的频率。

　　它主要影响以下几方面：

　　（1）载波频率对变频器自身的影响

　　功率模块igbt的功率损耗与载波频率有关，载波频率越大，变频器的损耗越大，输出功率越小，功率模块发热增加。如果环境温度高，逆变桥上下两个逆变管在交替导通过程中的死区将变小，严重时可导致桥臂短路而损坏变频器。

　　（2）载波频率对变频器输出二次电流的波形影响

　　当载波频率越高时，则电压波的占空比越大，电流高次谐波成份越小，即载波频率越高，电流波形的平滑性越好。这样谐波就小，干扰就小，反之就差；载波频率越高，变频器允许输出的电流越小；载波频率越高，布线电容的容抗越小（因为xc=1/2πfc），由高频脉冲引起的漏电流越大。

　　（3）载波频率对电机的影响

　　当载波频率过低时，电机有效转矩减小，损耗加大，温度增高，同时输出电压的变化率dv/dt增大，对电动机绝缘影响较大；当载波频率过高时，电机的振动减小，运行噪音减小，电机发热也减少，但是谐波电流的频率增高，电机定子的集肤效应更严重，电机损耗增大，输出功率减小。

　　（4）载波频率对其它设备的影响

　　载波频率越高，高频电压通过静电感应，电磁感应，电磁辐射等对电子设备的干扰也越严重。

　　在实际使用中要综合以上各点，合理选择变频器的载波频率。一般电动机功率越大，载率选得越小。

　　3.2 输出端加共模扼流圈

　　共模扼流圈也叫共模电感，是在一个闭合磁环上对称绕制方向相反、匝数相同的线圈。共模电感实质上是一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。

　　共模扼流圈可以传输差模信号，直流和频率很低的差模信号都可以通过，而对于高频共模噪声则呈现很大的阻抗，所以它可以用来抑制共模电流干扰。

　　3.3加装输入、输出电抗器

　　在变频器的输入侧可加以下选件：

　　（1）进线电抗器，输入电抗器可以抑制谐波电流，提高功率因数以及削弱输入电路中的浪涌电压、电流对变频器的冲击，削弱电源电压不平衡的影响，一般情况下，都必须加进线电抗器。

　　（2）输入emc 无线电干扰滤波器，emc 滤波器的作用是为了减少和抑制变频器所产生的电磁干扰。

　　在变频器的输出侧可加以下选件：

　　（1）输出电抗器，当变频器输出到电机的电缆长度大于产品规定值时，应加输出电抗器来补偿电机长电缆运行时的耦合电容的充放电影响，避免变频器过流。输出电抗器有两种类型，一种输出电抗器是铁芯式电抗器，当变频器的载波频率小于3khz时采用。另一种输出电抗器是铁氧体式，当变频器的载波频率小于6khz时采用。

　　（2）输出dv/dt电抗器，输出dv/dt电抗器是为了限制变频器输出电压的上升率，削减输出谐波分量，防止过压保护电缆，减小电机噪声，来确保电机的绝缘正常。

　　（3）正弦波滤波器，随着变频器输出距离的问题的不断研究，各厂商推出了用于变频器的输出滤波器。正弦波滤波器是用在变频器输出端，它可以改善变频器输出波形，使变频器的输出电压和电流近似于正弦波，减少电机谐波畴变系数和电机绝缘压力。与输出电抗器、dv/dt滤波器相比较，正弦波滤波器末端有一级电容滤波电路，使变频器输出波形接近正弦波。

　　下面介绍这种全新滤波技术，与传统滤波器的布局技术相比，新的正弦滤波器可同时实现三个功能：把相位对相位电压转变为正弦信号、抑制共模电流和把导体到地电压变成正弦波电压。图2为正弦输出滤波器的安装位置示意图。

　　正弦滤波器主要有以下部分组成：高频输出电抗器、rc回路、共模电抗器等组成，原理如图3所示。

　　变频的输出是等幅不等宽的脉冲序列。由于变频器输出的电压波形不是正弦波，波形中含有大量的谐波成分，如图4所示，为变频器的输出电压波形图，在使用正弦滤波器之后，波形将近似与正弦波，如图5所示。

　　从图4、图5可以看出，变频器的输出端加装正弦滤波器后，输出接近正弦波，可以明显改善输出的谐波含量，减少了涡流损耗，经过测试，变频器加装正弦滤波器之后的输出到电机的最长电缆长度可以达到1000m。

　　变频器输出滤波器技术与传统的滤波器技术相比，可以同时将相间电压转换成正弦信号，抑制共模电流，还可将导体对地电压变成正弦电压波形。它具有各种优点，例如，由于对电机绕组有害的电压峰值被抑制，轴承电流减少到可以忽略的水平，电机的使用寿命得以大大提高。

4 结束语

　　变频器输出距离的问题一直是一个很难完全解决的问题，本文通过对变频器和电缆等可能存在导致输出距离受限的原因进行了分析，并提出了一些切实可行的解决方法，对于实际工程应用具有参考意义。