礦用高壓變頻風機絕緣損壞的機理和對策

曹建文

（山西天地礦山技術裝備有限公司，山西 太原030006）

風機在煤礦井下起著非常重要的作用，給礦井提供新鮮的風流，為了調節風量，交流變頻調速廣泛應用于風機的控制系統中。但在實際使用中，高壓變頻風機會出現絕緣提早失效的現象，為此，本文通過對10 kV/1 MW主風機繞組燒毀的機理進行分析，以為電纜分布電容的存在與電機電感組成LC諧振網絡，該網絡對開關頻率某次諧波進行放大，引發高頻尖峰電壓，最終導致電機絕緣損壞。同時文章給出了濾波器設計，并在實際使用中驗證了其有效性。

1 系統描述

1 供電系統

系統供電如圖1所示，10 kV高壓直接供給1 MW的感應電機或經變頻器和變壓器供給電機，變頻器采用成熟的660 V兩電平結構，前端接降壓變壓器T1，后端接升壓變壓器T2，輸出母線到電機電纜長度約800米，為了可靠運行，在變頻器故障時，四個開關柜可以實現直接旁路變頻器。在實際運行過程中，發現兩臺電機繞組絕緣提早失效與電機端存在過電壓現象有明顯的聯系，尖峰電壓幅值與電纜長度、分布電容、分布電感以及PWM波上升沿有密切的關系。

圖1 系統供電圖

2 系統模型及仿真

電機繞組絕緣損壞明顯，表明電機端存在過電壓現象，主要原因有以下兩個方面：一，具有快速上升沿的PWM波在電纜傳輸時會產生反射現象；二，變壓器、電纜、電機的阻抗不匹配可能引起逆變器的開關諧波放大。為了解釋過電壓產生的機理并最終解決問題，本文采用集中參數對其進行簡化并建模仿真。

2.1 波形反射理論

線路阻抗不匹配是產生波反射的主要原因。在進行系統分析時，從受電端看，PWM波經過電纜長距離傳輸，由于電機和電纜的阻抗嚴重不匹配，在電機端產生了高頻反射現象，反射率T可由公式1計算：

Z1和Z2分別是目的端和源端的阻抗，電纜的阻抗，可以等效為：

Lc和Cc是電纜單位長度內的分布電感和分布電容，電機的感性阻抗會對高頻信號呈現高阻抗，結果使得T≈1。另一方面，在逆變器端，其特性阻抗取決于直流母線電容，它對高頻信號呈現低阻抗，像一個理想的電壓源，沒有過電壓現象，甚至還能吸收高頻成分，這樣就會造成PWM波和電機端的反射波形相互疊加，產生約2倍直流母線的尖峰電壓。如圖2所示：為了降低尖峰電壓幅值，擬在變頻器和電機間安裝LC濾波器，改變整個PWM波傳輸系統的特性阻抗，從而達到抑制反射并改變其頻譜分布的目標。

圖2 電機端反射波形

2.2 反射模型

為了簡化分析的問題，對于傳輸電纜，用集中參數代替分布參數，其關鍵是電纜的分布電容，它與電機的電感組成了LC網絡，這是造成變頻器開關諧波放大的主要原因，也是使電機端承受過電壓危害的原因，其模型如圖3所示。

圖3 簡化模型

L1、R1、R2、R3是升壓變壓器模型參數，C1是電纜電容參數，L2和R4是電機模型參數，實際值如表1所示。

表1 參數模型值

使用圖3的模型和表1的數據，PWM信號由兩電平變頻器產生，開關頻率為1 k，經仿真和頻譜分析，電機端電壓的最高幅值約為24.5 kV，約是額定值的1.72倍，如圖4所示；并在電機端產生一個約3 kHz的反射波，幅值約為基波的62%，如圖5所示。

圖4 電機端電壓形

圖5 電機端頻譜

3 濾波器設計

電機絕緣損壞明顯是由過電壓造成的，產生過電壓是由于在變頻器和電機之間存在感應電容，于是設計了一個低通濾波器，消弱反射現象，這個濾波器位于變頻器和升壓變壓器中間，其結構如圖6，其參數為：LF=85 uH，CF=2 mF，RF=13 mΩ。

圖6 低通濾波器結構圖

為了驗證濾波器的效果，對系統進行了仿真。在45 Hz時，電機端電壓波形如圖7所示，尖峰值為15.5 kV，約是額定的1.18倍。

圖7 45 Hz時電機端電壓仿真波形

在安裝濾波器以后，進行了現場測量，變頻器在55 Hz時，電機端電壓波形如圖8所示，從圖中可以看出，波形接近于正弦波，并徹底消除了反射現象，保護了電機絕緣。

圖8 55 Hz時電機端電壓的實測波形

4 結束語

本文分析了PWM波經電纜長距離傳輸后在電機端產生過電壓的原因，主要是由于電纜分布電容的存在，與電機的電感組成LC震蕩網絡，對變頻開關諧波進行了放大，出現了約2倍直流母線的尖峰電壓，從而造成了電機絕緣提早失效。同時也給出了解決方案，在變頻器與升壓變壓器之間，安裝一個低通濾波器，改變整個傳輸網絡的特性阻抗，避開諧振點，仿真和實驗結果都達到了預期效果。