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1、辽化公司科协自然科学 2010 年度学术论文评审表作者姓名安学文工作单位尼龙厂电气车间职 务干部职 称助理工程师论文摘要变频器在得到越来越广泛应用的同时，也存在一些负面 影响。变频器的 PWM 波通过长电缆传输时，存在的反射波现 象就是其中之一。它使电机绝缘老化，甚至击穿。本文介绍 了传输线上反射波的概念，以及长电缆时反射波现象对电动 机及电缆的危害、产生危害的原因及后果。针对反射波原理 及危害，本文介绍了具体的对策，以及应用效果。评审意见组长签字 年 月 日1长电缆时长电缆时 PWMPWM 变频器的反射波现象与对策变频器的反射波现象与对策作者单位：尼龙厂电气车间作者姓名：安学文呈报时间：20
2、10 年 8 月 16 日目录作者简介.1论文摘要.1长电缆时 PWM 变频器的反射波现象与对策.3一、引言.1二、长电缆时 PWM 变频器的反射波现象及其危害.3三、对策.7四、总结.8参考文献：.91作者简介作者安学文，男，出生于 1976 年 12 月 31 日，2007 年 3 月毕业于东北信息大学信息学院电力电子与电力传动专业，研究生学历。现任尼龙厂电气车间助理工程师，负责电气运行方面的工作，参与本单位 110V、48V 直流柜改造等工作。联系方式：辽阳市宏伟区石化路 003 号，邮编：111003，电话：5153656。论文摘要论文摘要变频器在得到越来越广泛应用的同时，也存在一些负
3、面影响。变频器的 PWM 波通过长电缆传输时，存在的反射波现象就是其中之一。它使电机绝缘老化，甚至击穿。本文介绍了传输线上反射波的概念，以及长电缆时反射波现象对电动机及电缆的危害、产生危害的原因及后果。针对反射波原理及危害，本文介绍了具体的对策，以及应用效果。关键词：变频器；反射波；长电缆长电缆时长电缆时 PWMPWM 变频器的反射波现象与对策变频器的反射波现象与对策 一、引言一、引言变频器以其优良的调速性能，良好的节能效果，在工业领域得到越来越广泛应用的同时，也存在一些负面影响。变频器的 PWM 波通过长电缆传输时，存在反射波现象，导致电机侧电压峰值增加，从而使电机绕组和电缆绝缘老化，甚至绝
4、缘击穿。反射波与桥架内的电缆耦合，使泄漏电流增大，损耗能量。变频器产生的谐波对电网、电机及周围电子设备产生不良影响。二、长电缆时长电缆时 PWMPWM 变频器的反射波现象及其危害变频器的反射波现象及其危害1. 反射波的概念在电路理论中如果实际电路的尺寸远小于工作频率所对应的波长，可以用集中参数电路电路来描述，否则，该电路只能用分布参数电路来描述。传输线电路常常需要用分布电路的理论来分析。按分布参数电路的观点,一小段传输线可等效为由分布电阻R1（欧/米） 、分布电感L1(亨/米)、分布电导G1（西/米）和分布电容C1(法/米)等集总元件构成的 T 型网络(对无耗线,R1=G1=0)，实际的传输线
5、表示为各段等效网络的级联（图 1） 。传输线方程 又称电报方程，是说明传输线上电压U和电流I之间关系的微分方程组。2(1)1111uiRiLxx iuGuCxx 单位长度L1R1G1C1L1R1G1C1R1L1R1L1G1C1图 1 传输线的电路模型设传输线与z 轴平行、时谐信号(时谐因子为 )的传输角频率为、分布阻抗Z1R1jL1、分布导纳Y1=G1+jC1，则传输线方程可写成(2)11( )( )( )( )dU zZ I zdz dI zYU zdz 其解U(z)和I(z)都由含因子的两项组成, 分别表示朝 z方向传播的行波，其中 称为传播常数，一般，传输线上的电压和电流各由上述两相反方
6、向的行波合成，形成驻波分布。传播常数 描述电压或电流行波沿传输线行进过程中的衰减和相移的参量。通常，它是一个复常数 (3)1 1jZ Y式中称为衰减常数,单位是奈/米或分贝/米(1 奈/米8.686 分贝/米)；称为相移常数,单位是弧度/米。特性阻抗 传输线上行波传播时的电压与电流之比。通常它也是复常数 (4)011/ZZY对无耗线 (5)011/ZLC它与频率无关，仅取决于线本身的物理参数和几何尺寸，可表征传输线的“特性” ，故3称特性阻抗。反射系数 传输线上某点处反射波电压与入射波电压之比为该点的电压反射系数，简称反射系数，通常是复数。入射波和反射波的表达式分别为(6)002sin()2s
7、in()xxUUetxUUetx 反射系数为(7)200xLLZZUeUZZ阻抗匹配 电压从源端经传输线传向终端，当终端接有负载阻抗ZLZ0时，则传向负载的入射波将激起从负载向源方向的反射波。要使传输线向负载有最大的功率转移，即要求负载阻抗与传输线的特性阻抗相等。如果负载阻抗与传输线的特性阻抗并不相等，就需要在传输线的输出端与负载之间接入阻抗变换器，使后者的输入阻抗作为等效负载而与传输线的特性阻抗相等,从而实现传输线上。阻抗变换器0LZZ的作用实质上是人为地产生一种反射波，使之与实际负载的反射波相抵消。图 2 入射波和反射波的波形2. 长电缆时 PWM 变频器的反射波现象及其危害变频器和电机之
8、间的电缆对于 PWM 波来说是明显的阻抗，电缆的阻抗与长度成正比，如果电缆阻抗和电机阻抗不匹配，反射波现象就会发生，使电机端出现电压峰值，可能使电机绝缘击穿。电机端的 PWM 输出波形如图 3 所示。三相电缆4图 3 电机端的 PWM 输出波特性阻抗一般在 50-200 欧姆之间，如果电机阻抗（负载阻抗），电机端0Z0LOADZZ的电压峰值将是母线端电压峰值的 2-4 倍，PWM 波的上升时间越快，电机端的反射波电压越高。如图 4 所示，变频器中逆变部分电力电子器件的开关速度越快，上升时间越短，反射波越大，电机过电压越高，传输距离越短。图 4 电力电子器件开关速度对过电压情况的影响电机的绝缘老
9、化或绝缘击穿可能由以下原因造成：1)过电压超过空气的击穿电压时，使绝缘能力降低，发生频繁的局部放电；2)光环效应过电压电离绕组周围的空气后，产生的弧光穿过绕组，使绝缘立即遭到毁坏；53)过电压超过导磁材料的绝缘能力。图 5 反射波现象对电机外层绕组的影响反射波现象在电机端产生的过电压有 60-80%分布在电机最表面的绕组上，常常使绝缘能力差的电动机外层绕组绝缘老化甚至绝缘击穿。图 5 是典型的由反射波现象引起的绝缘老化现象。反射波现象在小功率的变频器/电机上具有更大的危害，因为小功率变频器具有更小的上升时间，小功率电机具有更低的绝缘性能等，所以应该更加重视长电缆时小功率变频器/电机的反射波问题
10、。三、对策对策从前面的分析和试验数据可以看出，在长电缆接线时，电机侧存在电压峰值，它对电机绝缘的破坏主要基于以下两个原因，第一是电压的幅值，第二是 PWM 波的上升时间。这两点与电缆特性、长度、变频器 PWM 调制技术与 PWM 开关频率、脉冲上升时间及电机特性等有关。一般如果电缆长度超过 300 米就要考虑反射波的影响了。针对由反射波现象引起的电机侧过电压，可采取以下对策：1)使用专用的高耐压等级的变频电机，现在变频电机的耐压一般都达到 2.4kV，有的电机达到 3-5kV，这保证了它们的耐压性能；同时注意电缆的正确选型与配置。2)变频器厂家在软件上延长 PWM 波的上升时间，但这种方法效果
11、不明显。3)尽可能使用短电缆。4)在电机侧安装反射波抑制器，这种方法的实质是在电机侧增加阻抗使之与电缆6阻抗相匹配。根据反射波理论，可以有效抑制反射波现象的发生，减小了电机侧电压峰值，但由于现场安装条件的限制，这种方法使用较少。5)在变频器侧安装滤波装置。、可以在变频器输出侧串电抗器，这种办法最简单、成本最低，但效果一般。电抗值不能太大，阻抗压降控制在（35）%的额定电压值；、可以用 RL 滤波器，这种办法效果要好一些，成本也增加了；、可以用 RLC 正弦滤波器，将高频电流旁路，在电机端获得近似正弦电压与电流，这种方法效果较好。但要注意：变频器的功率、电缆长度、电力电子器件的开关频率各不相同，
12、正弦滤波器要专门定制或设计。正确安装正弦滤波器后，电缆的传输距离最大可达 3000 多米。、可以用有源滤波器，使输出电压、电流近似为正弦波。下面图 6 为使用 RLC 正弦滤波器与没有使用滤波器时，电机端电压的对比图。可以看出正弦滤波器具有很好的滤波效果。图 6 正弦滤波器的效果四、总结总结电压在长距离传输线上传播，由于分布电容和分布电感的存在，当电缆的特性阻抗与电机的等效阻抗不相等时，会在电机端发生反射现象。本文对电机通过长电缆由 PWM 变频器驱动时，在电机侧发生电压反射的现象进行了分析，试验数据也说明电机侧过电压随着电缆长度的增加而增加，随着电力电子器件开关频率的增加而增加，电压尖峰可达到额定直流电压的 2-4 倍左右，容易造成电机的绝缘老化，缩短电机的使用寿命。最后介绍了针7对电机端过电压的对策，包括使用变频电机、优化 PWM 波产生的算法、安装专用保护设备等。参考文献：1、 鲍家善. 微波原理M. 北京：高等教育出版社，19652、 高强 马洪飞等PWM 逆变器端过电压滤波器设计J电工电能新技术.2006(4)3、 1336 PLUS 说明书Allen Bradley 公司2010
