防爆變頻器超長距離輸出電路的設計及應用

相龍陽 苑令華 張傳亮 肖懷彬

摘 要

防爆變頻器在煤礦生產應用時受現場應用空間限制，變頻器和電機之間往往有一定距離。受超長輸出距離分布電容的影響，在電機端產生過電壓[1]，損壞電機絕緣性能。本文設計了一種輸出濾波電路，結合實際應用驗證方案的可行性。

關鍵詞

防爆變頻器;長距離;輸出濾波

中圖分類號： TN773.2 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 41

Abstract

Due to the influence of the ultra-long output distance distribution capacitance， overvoltage is generated at the end of the motor and the insulation performance of the motor is damaged. e.

Key words

Frequency transformer; Long haul; Output filter

0 引言

防爆變頻器在煤礦井下用于電動機的軟啟動和調速運行。由于長距離電纜存在分布電容，增大電動機端dv/dt，增加電動機端電壓峰值，加速繞組絕緣老化，影響電動機絕緣性能，限制了變頻器的輸出距離。但是防爆變頻器應用場合經常出現距離100m以上的情況。為此，需要在變頻器輸出端增加濾波電路，解決上述問題。

1 原因分析

影響變頻器輸出端到電機端電纜長度因素較多，主要有以下幾點原因：

1.1 分布電容的影響

分布電容存在相互絕緣且存在電壓差的導體間。導線之間，導線與大地之間都存在分布電容。如果變頻器輸出距離較長，就必須考慮分布電容的影響。輸出線上的分布電容和分布電感的共振產生浪涌電壓，將與變頻器輸出電壓疊加，產生電壓峰值，會造成電機絕緣損壞，燒壞電機。

1.2 變頻器PWM控制策略的影響

目前，IGBT是防爆變頻器的核心器件，開關頻率可達20kHz，一般采用PWM脈寬調制技術控制[2]。電力電子器件IGBT的快速開關在電動機端會產生共模電壓和電壓、電流的突變，這使得電壓、電流波形中含有大量的諧波成分，會使變頻器輸出電流增大，造成電機繞組發熱，加速絕緣老化，還可能損壞電機。

2 輸出電路的設計

在變頻器與電機之間增加輸出濾波回路是解決上述問題的主要解決方案，具有成本低、效果好的優點。

2.1 輸出濾波電路拓撲結構

變頻器輸出濾波電路由電抗器、電阻、電容組成，拓撲結構如下圖所示：

本輸出濾波電路設計原理是通過增大脈沖電壓上升時間，降低變頻器輸出電壓的變化率，進而抑制電機側端電壓。

對相同的上升時間而言，諧振頻率ω越小，dv/dt濾波器的電感和電阻值越大，成本也會增加。因此，在濾波電路設計過程中，要綜合性能、成本等各方面的因素[3]。

3 設計案例

3.1 計算步驟

根據電機dv/dt設計值計算得到系統的上升時間ts;根據系統上升時間ts，確定對應的ω值和電容大小;計算電感值;計算電阻值。

3.2 以1140V變頻器為例

3.3 試驗

按照上述計算值，設計輸出濾波電路。并進行試驗驗證。

搭建試驗平臺，電纜長度500m，對輸出濾波電路進行效果測試，圖3、圖4為未加載情況下變頻器輸出側脈沖電壓上升時間和峰值。圖5、圖6為加載情況下變頻器輸出側脈沖電壓上升時間和峰值。

圖3、圖4可以看出，上升時間為24us，最大值為2.3KV。從圖5、圖6可以看出，電壓峰值2.42KV，上升時間為27us。可以看出，加載時的脈沖上升時間大于空載時脈沖電壓上升時間，變頻器帶載時dv/dt比空載時小。同時，可以得出，變頻器帶載時輸出電壓脈沖上升時間遠大于輸出濾波電路設計值，滿足設計要求。

4 結論

本文針對防爆變頻器在超長距離條件下使用時，提出了輸出濾波電路詳細設計方案及計算步驟，并通過試驗驗證了該設計方法的正確性與實用性。變頻器輸出濾波電路可以降低防爆變頻器在超長距離條件下使用時輸出電壓變化率，保護電機絕緣性能，為防爆變頻器在超長距離條件下的使用提供了一種可行的方案。

參考文獻

[1]田軍，丁中揮.變頻調速裝置dv/dt濾波器設計[J].船電技術，2013，07：3-6.

[2]姜艷姝，馬洪飛，等.一種新穎的用于減小電機終端共模dv/dt的逆變輸出濾波器[J].電機與控制學報，2002，02：123-127.

[3]高晨.變頻器在長電纜應用環境下引起電機端子過電壓的研究和仿真及dvdt濾波器的設計，碩士論文，上海交通大學，2015.