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EMC/EMI/ESD设计

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实际应用中变频器的微浪涌电压抑制技术研究

导读: 本文分析了变频器到电机的接线距离很长时产生的微浪涌电压现象及其发生的机理、对电机的危害和消除方法,介绍了近期出现的衰减微浪涌电压的产品及其工作原理和效果。

  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。

 

  

  

  

 

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