1 前言

1.1

概述

在接下來的推文中將給大家介紹由變頻器，連接電纜及電機構成的驅動系統中如何減小變頻器運行對電機繞組絕緣的影響，提高系統運行可靠性的相關措施。

1.2

** 配置選型聲明**

在本推文中所陳述的相關措施方法，以及對應的硬件配置僅作為一般性原理陳述，針對具體現場的實際情況需要詳細核對現場采取正確的應對手段進行處理，詳細情況需要咨詢相關技術人員。

2 電機絕緣標準

2.1

** 變頻器運行下的電機繞組絕緣**

逆變器中的IGBT快速導通與關斷所引起的陡峭電壓邊沿，通過較長的電機電纜傳輸過程中所產生的反射電壓將作用于電機繞組上。

圖2-1 逆變器輸出特性及經過長線傳輸至電機端的電壓波形特性

IEC 60034-18-41:2019 (Rotating electrical machines – Part 18-41: Partial discharge free eletrical insulation systems(Type I) used in rotating electrical machines fed from voltage converters – Qualification and quality control tests)定義了運行于采用脈寬調制的電壓源型變頻器下的電機繞組絕緣系統的脈沖電壓絕緣等級IVIC及規定了4類絕緣強度。

表格2-1 脈沖電壓絕緣等級、反射系數及脈沖上升時間

對于采用西門子SINAMICS低壓變頻器（功率器件為IGBT，2-電平脈寬調制電壓源型變頻器），作用于電機繞組的反射系數一般為1.7~2.0，電機繞組絕緣依據C類設計。這樣電機繞組絕緣電壓等級如下表：

表格2-2 電機繞組絕緣電壓等級

表格2-2中幾個電壓概念的圖示：

圖2-2 運行于采用IGBT功率器件的電壓源型2-電平變頻器下的電機繞組幾個電壓表達

3 相關措施

3.1

** 變頻器(逆變器)輸出側電抗器**

輸出側電抗器可對電機端的 dv/dt 變化率進行抑制。

由于逆變側采用快速開關器件 IGBT，將在變頻器輸出端和電機端產生很高的 dv/dt。電壓變化率通過在電機側加裝電抗器抑制。

對于沒有采用輸出電抗器的系統，逆變器輸出電壓變化率為 3kV/μs~6kV/μs 的電壓邊沿沿電纜傳輸到電機端，產生同樣高的電壓變化率。

圖 3-1 a)不帶輸出電抗器

圖 3-1 b)帶輸出電抗器

在安裝了電機側輸出電抗器時，電抗器感抗與電纜寄生電容形成諧振電流，從而大大減小電壓變化率 dv/dt。對于長線屏蔽電纜來說，電壓變化率將降至若干 100V/μs（如圖 b）。

然而，由輸出電抗器和電纜寄生電容構成的諧振電路僅起到相對較弱的阻尼作用，這樣可能會發生比較嚴重的電壓超調。其結果是在電機端產生的電壓尖峰與無輸出電抗器系統中由反射造成的電壓尖峰基本相同。

由于電機電抗器僅僅抑制電壓變化率而非電壓尖峰 Vpp，所以對比于無輸出電抗器系統中的電機絕緣強度并未減輕。所以電機側輸出電抗器并不能做為降低 500V~690V 供電的電機繞組絕緣強度的合適解決方案，故需采用特殊絕緣強度的電機系統。電機繞組絕緣強度的問題可通過 dv/dt 濾波器+VPL，或正弦波濾波器解決。

3.2

dv/dt 濾波器 + VPL

• 基本工作原理

dv/dt + VPL 濾波器包括兩個組件：dv/dt 電抗器和電壓抑制網絡（峰值電壓抑制器）。

圖 3-2 dv/dt濾波器+VPL結構框圖

dv/dt 電抗器與電機側輸出電抗器的作用一致。與所連接的電機電纜上的寄生電容和內置在抑制網絡中的電容形成諧振電路，將電壓變化率限制在如下數值，此時與所連接的電機電纜長度無關：

? dv/dt 濾波器+VPL 下，dv/dt <500V/μs

? 緊湊型 dv/dt 濾波器+VPL 下，dv/dt <1600V/μs

抑制網絡主要包括二極管整流橋，連接 dv/dt 電抗器的輸出到逆變器直流母線上，那么dv/dt 電抗器輸出的電壓超調將被限制在直流母線電壓范圍內，進而抑制了電機電纜上的尖峰電壓。由于電壓陡度的減小，dv/dt 濾波器輸出電壓與電機端的電壓基本一致。

圖 3-3 a)不帶 dv/dt 濾波器

圖 3-3 b)帶 dv/dt 濾波器+VPL 或

緊湊型 dv/dt 濾波器 + VPL

dv/dt 濾波器+VPL 和緊湊型 dv/dt 濾波器 + VPL 可有效抑制電機繞組的電壓變化率和電壓尖峰 Vpp：

? dv/dt 濾波器 + VPL：

電壓變化率 dv/dt<500V/μs

尖峰電壓 Vpp（典型值）<1000V， 在 Vline<575V 下

尖峰電壓 Vpp（典型值）<1250V, 在 660V

? 緊湊型 dv/dt 濾波器+VPL：

電壓變化率 dv/dt<1600V/μs

尖峰電壓 Vpp（典型值）<1150V， 在 Vline<575V 下

尖峰電壓 Vpp（典型值）<1400V, 在 660V

dv/dt 濾波器+VPL 能限制尖峰電壓至 IEC/TS 60034-17:2006(Vpp<1350V) 規定的限值以下，緊湊型 dv/dt 濾波器+VPL 能限制尖峰電壓至 IEC/TS 60034-25:2007(Vpp<1560V) 規定的限值以下。

dv/dt 濾波器+VPL 和緊湊型 dv/dt 濾波器+VPL 可有效抑制供電電壓等級在 500V~690V 范圍內的電機繞組絕緣的影響，在某種程度上無需對電機做特殊絕緣處理。軸電流明顯降低。

安裝使用 dv/dt 濾波器+VPL 后對于供電電壓 690V 的變頻驅動中的電機可采用標準絕緣，無需采用絕緣軸承。這樣即可采用西門子電機，也可采用其他生產商的產品。

針對dv/dt 濾波器+VPL使用需要一定的邊界條件，請參考S120功能手冊，工程師手冊等。

3.3

正弦波濾波器

基本工作原理

正弦波濾波器是一類 LC 低通濾波器，構成異常復雜的濾波方案。正弦波濾波器相較于dv/dt 濾波器+VPL 或緊湊型或緊湊型 dv/dt 濾波器+VPL，更能有效抑制電壓變化率及尖峰電壓 Vpp，但是相關的脈沖頻率設置，逆變器輸出的電流/電壓都將有比較苛刻的約束。

圖 3-4 正弦波濾波器原理圖

如下圖所描述，正弦波濾波器提取了逆變器輸出的脈沖模式中的基波分量。所以加載到電機端的電壓為諧波很小的正弦量。

圖 3-5 采用正弦波濾波器時的逆變器輸出與電機端的電壓波形示意圖

正弦波濾波器對于電壓變化率和尖峰電壓的限制非常有效，其值：

? 電壓變化率 dv/dt<<50V/μs

? 尖峰電壓 Vpp<1.1* √2 *VLine

因此，經過濾波器后加載于電機端的電壓強度與直接電網供電的運行條件基本一致。軸電流大大減少。安裝使用正弦波濾波器后，電機可采用標準絕緣，無需采用絕緣軸承。這樣即可采用西門子電機，也可采用其他生產商的產品。

采用正弦波濾波器后使電機電纜上電壓變化率變得很低，對電磁兼容性具有積極意義。這樣以來，在電機電纜較短情況下，考慮 EMC 因素，沒有必要再采用屏蔽電纜了。

由于加載于電機端的電壓為非脈動的，那么電機中由變頻器高頻干擾造成的雜散損耗，額外噪聲大大減小，噪聲等級基本接近于由電網直接供電運行的情況。

正弦波濾波器可應用于 SINAMCIS S120 功率范圍：

? 380V~480V 供電范圍，變頻器輸出功率到 250kW，400V

? 500V~600V 供電范圍，變頻器輸出功率到 132kW，500V

對于更大功率等級的 SINAMICS S120 需要單獨訂購。

針對正弦波濾波器的使用需要一定的邊界條件，請參考S120功能手冊，工程師手冊等。

4 結論

在本文中給大家介紹了改善現有驅動系統中電機絕緣的一些方法。當然，還有很多其他的措施，需要根據現場的實際情況有針對性的分析，并提供相應的解決方案。