变频器的微浪涌电压抑制技术

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10000益，高温使绝缘逐渐地侵蚀，过些时间之后绝缘就会被破坏。如图9所示为直径0.85mm、漆皮厚33滋m、F级绝缘、155益漆包线的寿命特性。

寿命特性水平轴表示施加破坏脉冲次数和破坏时间；纵座标轴表示破坏电压，两条曲线分别表示漆包线在温度20益和155益两种条件下测量的结果。

寿命特性用斜率不同的两条线表示，两条线连接的地方叫做局部放电起始电压。斜率陡险的部分，是确实发生了放电的区域，2小时内漆包线遭到破坏。斜率缓慢的区域极少发生局部放电。按照这一结论，如果控制住第1线圈局部放电起始电压，就不发生微浪涌电压的绝缘破坏。另外，如果相间（U-V 之间）控制在1000V以下、上述的第1线圈的电压分担率控制在750V左右，就能够确保20年的寿命。

2.2 由于微浪涌所造成电机损坏的真实情况

在日本，随着变频器的普及，电机厂家强化了电机的绝缘，多数把绝缘水平做到超过1200V以上。JEMA（日本电机工业会）的技术资料显示在1989耀1993年的5 年间，根据对电机发货台数统计的微浪涌的损坏事例在0.013% ，即非常低的概率。不过长期使用绝缘老化的旧电机和被认为绝缘水平低的电机，绝缘破坏的危险性还是较高。另外，根据近几年的电源的高次谐波对策和对以升降机的回生能量为目标的高功率因数电源推广应用，所设置PWM变频器系统不断增加。PWM变频器的回生能量为了送回市电电源，让直流中间电压上升到较高值是必要的关键，其结果是由于微浪涌电压引发绝缘破坏的可能性正在增加。在中国和其它AC 440~380 V地区，市电电压是日本市电电压的2倍，因此，微浪涌电压的危害更加显著。

3 微浪涌的抑制技术

鉴于上述原因，各变频器厂商致力于克服微浪涌问题，开发和销售各种各样对微浪涌进行抑制的产品。

3.1 输出电路用的滤波器

输出电路用滤波器由输入输出接线端子、电阻、电容器、电抗器所构成，如图10所示，其中电抗器是非常重的部件。作为主要的指标，相间的微浪涌电压为1000V以下，变频器和电机之间的接线长度为400m，产品的系列到达500kW，防护等级为IP00。

3.1.1 工作原理

输出滤波器的工作原理如图11所示。微浪涌电压是变频器输出脉冲上升时间出现的dv/dt 过大所引起，又由于阻抗不匹配被反射而发生。因此输出电路使用滤波器，用于抑制dv/dt，也就是抑制了高频成分因阻抗不匹配而造成的微浪涌。所以输出滤波器是dv/dt抑制型滤器，这种滤波器在变频器的调制频率为15kHz、接线长度为400m时，能做出微浪涌电压1000V以下的性能非常优良的产品。不过，这种方式的滤波器为了让逆变器的输出电流通过电抗器，不得不做成大容量，造成滤波器的大型化、高价格化、大重量，有的达到50kg以上，给用户造成了实际负担。

3.1.2 抑制效果

图12显示了供电电源440V，功率为3.7kW的变频器供电给电机（3.7kW，400V），在接线长度为100m时、测量电机接线端子U-V 之间的微浪涌电压的抑制效果。在没有输出滤波器的情况下，微浪涌电压达到1360V，相当于变频器内部直流电压680V的200%。有输出滤波器的时候，顶峰值电压是756V、相当于变频器器内部的直流电压680V的111%，它和没有输出滤波器的顶峰电压差距有604V，抑制效果达89%。

3.2 浪涌抑制组件

图13所示为浪涌抑制组件的外观。和输出滤波器相比，浪涌抑制组件是小型化的产品。其技术指标为相间的微浪涌电压1000V以下，防护等级为IP20。浪涌抑制组件是对变频器的容量不需要选择，而接线距离需要选择的产品。另外，接线方法非常简单，只需要把浪涌抑制组件的输入电缆接到电机接线端子U、V、W上。

3.2.1 工作原理

浪涌抑制组件的工作原理如图14所示。浪涌抑制组件内部卷绕的浪涌抑制线具有和电缆线的阻抗ZL相同的阻抗，因此接到电机的接线端子上降低了电机接线端子的阻抗，从而减少了阻抗不匹配时的反射波。通常高频波成分在电缆线上的阻抗ZL是50耀100赘，设计的浪涌抑制线的阻抗ZS是50~60欧。

浪涌抑制线的断面图如图14所示。浪涌抑制线用直径1.2mm的线做成，内部的铜线外表进行高电阻率材料电镀，又用高介电常数材料作绝缘体覆盖，外表是屏蔽保护的同轴电缆线。铜线和高电阻镀层的芯线和屏蔽线间的分布电容，降低了高频阻抗，因而吸收了浪涌。使用这种浪涌抑制线的产品，除浪涌抑制组件以外，还有浪涌抑制电缆，是在变频器的主电流通过的电缆线内部平行安置了浪涌抑制线，它的截面图和连接方法如图15所示。

3.2.2 浪涌抑制组件的特点

只需接到电机接线端子，即可大幅度减低浪涌电压；
     在使用PWM变频器的时候，相间电压可控制到1000V以下；
     不需要追加施工，对已经安装运行的设备，设置容易；
     与变频器容量没有关系，都可适用（但是，超过75kW 的电机需对应设置）；
     需配合变频器和电机之间的接线电缆长度，规格有50m和100m两种；
     适应于RoHS指令；
     与输出滤波器相比，小型化、轻量化。

3.2.3 从传输线理论得出的浪涌抑制原理

根据传输线理论，浪涌抑制使用了浪涌吸收、浪涌减衰、浪涌抑制线的反射降低的方法。

浪涌吸收浪涌是高频波成分，低阻抗的浪涌抑制线接在电机接线端子上，让浪涌电流流到抑制线里面去，如图16所示。

浪涌减衰浪涌电流是高频波成分，根据集肤效应，浪涌电流集中在导线外表面，因导线外表镀高电阻率材料镀层，故浪涌电流的能量在电阻上被消耗了，如图17所示。

浪涌抑制线的反射降低浪涌电流的高频分量在浪涌抑制线内被旁路和衰减，使浪涌形状变钝，浪涌频带中心向低频方向移动。又从浪涌电流来看，好像浪涌抑制线的特性阻抗逐渐变高了，使得抑制线末端不易被反射回来。如图18所示。

3.2.4 抑制效果

图19是变频器的电源电压为400V，3.7kW的电机、接线长度50m，和75kW的电机、接线长度100m时抑制微浪涌电压的效果。对于3.7kW的电机，当没有浪涌抑制组件时，微浪涌电压为1036V，相当于变频器内部的直流电压540V的192%；当加了浪涌抑制组件时，50m电缆的峰值电压为733V，相当于变频器内部的直流电压540V的136%。电压尖峰差距303V，有61%的抑制效果。对于75kW的电机，当没有浪涌抑制组件时，微浪涌电压为1040V，相当于变频器内部直流电压520V的200%；当加了浪涌抑制组件时，电缆的峰值电压为785V，相当于变频器内部直流电压520V得151%。电压尖峰差距255V，有49%的抑制效果。

4 结语

针对实际应用变频器时，产生的微浪涌现象对电机的危害，介绍了微浪涌抑制技术及其原理，以实例对比了不同抑制器的抑制效果，以期引起变频器生产厂家和用户对这一问题的关注。