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摘要：随着大型工业化和自动化的运用，变频器的调速控制和节能的显著特点，广泛应用于现代企业，但是由于变频器的自身输出特性产生的谐波分量和电缆分布电容的影响，在电缆长距离传输中由于行波反射叠加效应，使得机端脉冲电压峰值超过允许耐压值，严重影响和损坏设备绝缘性能。本文就变频器电缆传输行波反射叠加效应进行研究，并采取消减治理措施。
关键词：变频器;PWM脉宽调制技术;正弦滤波器
文章编号：1005-7277（2019）05-0145-03
Abstract：With the use of large-scale industrialization and automation， significant characteristics of frequency converter speed regulating control and energy saving， widely used in modern enterprises， but due to its output characteristics of inverter harmonic component and cable capacitance effect， in the long distance transmission cable due to superposition of wave reflection effect， make the machine end exceed the permitted pressure pulse voltage peak value， the serious influence and damage of equipment insulation performance. In this paper， the superposition effect of traveling wave transmitted by inverter cable is studied and the reduction measures are taken.
Key words：Frequency converter; PWM technology; Sine filter
隨着大型工业化和自动化的运用，变频器的调速控制和节能的显著特点，广泛应用于现代企业，但是由于变频器的自身输出特性产生的谐波分量和电缆分布电容的影响，增加了损耗，并且在电缆长距离传输中由于行波反射叠加效应，使得机端脉冲电压峰值超过允许耐压值，严重影响和损坏设备绝缘性能。本文就变频器电缆传输行波反射叠加效应进行研究，并采取消减治理措施。
1 概述
某大型煤炭间接液化项目，其配套六套空分装置和一套后备系统，每套空分装置配置三台低温液氧泵共计21台，液氧泵电机为660V、210kW，配置施耐德ATV61 250kW变频器进行调速控制。自开车以来，先后出现四台液氧泵变频器报接地故障，现场检测电机绝缘良好，相间直阻不平衡，拆检后发现损坏部位均为电机绕组端部匝间短路。
2 原因分析
通过对损坏电机拆检，均为电机绕组端部匝间短路故障，发现损坏的四台电机供电电缆较长（超过200米），经过电科院对变频器输入、输入及机端电压进行检测，其检测结果如下：
（1）1#机组液氧泵C机端电压（电缆长度290米）：
机端电压峰-峰值Upp=4.638kV，脉冲电压峰值Upk=2.319kV，超出了电机EN60034标准允许耐受电压2.150kV。
（2）6#机组液氧泵A机端电压（电缆长度283米）：
机端电压峰-峰值Upp=4.534kV，脉冲电压峰值Upk=2.267kV，超出了电机EN60034标准允许耐受电压2.150kV。
（3）4#机组液氧泵C机端电压（电缆长度199米）：
机端电压峰-峰值Upp=4.270kV，脉冲电压峰值Upk=2.135kV，小于电机EN60034标准允许耐受电压2.150kV。
从以上实际检测波形可以看出，1#、6#机组由于电缆长度较长，机端脉冲电压超过电机EN允许耐受电压2.150kV。实际损坏的四台电机都因供电电缆较长，超出变频器允许供电电缆长度，行波反射引起机端电压叠加，使得机端峰值脉冲电压超过了电机允许的耐压，导致电机匝间绝缘损坏。
3 行波反射叠加效应研究
变频器由于整流逆变回路的非线性特性，其输出的电压波形不是正弦波，并含有大量的谐波分量，由于电力电缆的分布电容对谐波电流的放大作用，在电缆传输中形成行波反射叠加引起机端电压升高，电缆越长其冲击电压越大，甚至可以达到输出电压的2倍，影响设备绝缘性能。因此，电机电缆长度对变频器的输出距离有很大影响。
（1）电缆的分布电容
分布电容，是指由非电容形态形成的一种分布参数，任何两个存在压差的绝缘导体之间都会形成分布电容，而电缆的分布电容大小取决于电缆的绝缘材料、长度、尺寸等因素。一般情况下电容值很小可以忽略不计，但是如果电缆线路较长，分布电容的影响较大，就必须考虑分布电容的影响。所以变频器输出距离就与电缆的分布电容有密切关系，电缆线路越长，分布电容的影响就越大。
（2）变频器谐波分量
目前，绝大多数变频器都采用PWM脉宽调制技术，并使用高性能的IGBT，由于变频器逆变回路开关功率器件的非线性特性，其输出电压为非正弦，从而产生大量的高次谐波分量，引起电机过热、过电压造成设备绝缘老化损坏;谐波会引起谐振，从而使谐波分量放大，引发过电压;谐波会造成电磁干扰，导致其它设备误动作。
（3）变频器输出功率
变频器输出功率直接决定变频器到电机的电缆连接长度，变频器输出功率越大相对应的电缆长度也就越长。因此，电缆的分布电容、变频器谐波分量和输出功率直接影响变频器输出电缆的距离。
4 消减措施
根据以上行波反射叠加效应影响因素分析研究，可以采取以下消减措施加以解决。
（1）调整开关频率，减少谐波分量
变频器的开关频率决定逆变器IGBT功率模块的开断次数，变频器的开关频率越高，则电压的占空比越大，变频器输出的波形平滑性越好，高次谐波分量越小;开关频率越高，电缆的分布电容的容抗也就越小（Xc=1/2πfc）。因此将原变频器开关频率由2.5kHZ提高到3kHZ，改善变频器的输出波形。
（2）使用输入/输出电抗器
当变频器的输出电缆距离较长，就需要考虑在变频器的输入输出侧加装电抗器。变频器输入侧加装交流电抗器，可以抑制谐波电流的影响，减少电源侧浪涌对变频器的冲击。变频器输出侧加装交流电抗器，可以把变频器输出的PWM调制波滤波成正弦波，可以有效降低高次谐波，减少电机电磁噪音和损耗。
（3）加装正弦波滤波器
随着变频器输出距离问题，加装电抗器已不能满足长电缆（大于100米）的传输要求，使用正弦滤波器可以有效解决这一问题，正弦滤波器滤除变频器SPWM波形的谐波成分，使变频器输出的波形为正弦波，有效抑制高频损耗和dv/dt射频干扰，极大的提高了电缆传输长度。由于原变频器已加装输入输出电抗器，但因电缆长度（超过260米），无法满足使用要求，因此在变频器输出端加装正弦滤波器，减少电缆行波反射叠加效应，抑制机端电压峰值，大大提高电机使用寿命。
5 结束语
本文通过对低温液氧泵电机损坏原因分析，现场实际检测机端电压峰值，研究解决电缆分布电容及行波反射叠加效应，使得机端脉冲电压峰值超过允许值，造成电机绝缘损坏，并采取加装正弦滤波器等切实可行的措施，解决了变频器行波反射叠加效应造成电机绝缘损坏的问题。
参考文献
《电机学》清华大学出版社 戴文进
《电气控制技术》机械工业出版社 齐占庆
《电能质量 电压波动和闪变》GB/T12326-2008
《旋转电机》EN 60034
关键词：变频器;PWM脉宽调制技术;正弦滤波器
文章编号：1005-7277（2019）05-0145-03
Abstract：With the use of large-scale industrialization and automation， significant characteristics of frequency converter speed regulating control and energy saving， widely used in modern enterprises， but due to its output characteristics of inverter harmonic component and cable capacitance effect， in the long distance transmission cable due to superposition of wave reflection effect， make the machine end exceed the permitted pressure pulse voltage peak value， the serious influence and damage of equipment insulation performance. In this paper， the superposition effect of traveling wave transmitted by inverter cable is studied and the reduction measures are taken.
Key words：Frequency converter; PWM technology; Sine filter
隨着大型工业化和自动化的运用，变频器的调速控制和节能的显著特点，广泛应用于现代企业，但是由于变频器的自身输出特性产生的谐波分量和电缆分布电容的影响，增加了损耗，并且在电缆长距离传输中由于行波反射叠加效应，使得机端脉冲电压峰值超过允许耐压值，严重影响和损坏设备绝缘性能。本文就变频器电缆传输行波反射叠加效应进行研究，并采取消减治理措施。
1 概述
某大型煤炭间接液化项目，其配套六套空分装置和一套后备系统，每套空分装置配置三台低温液氧泵共计21台，液氧泵电机为660V、210kW，配置施耐德ATV61 250kW变频器进行调速控制。自开车以来，先后出现四台液氧泵变频器报接地故障，现场检测电机绝缘良好，相间直阻不平衡，拆检后发现损坏部位均为电机绕组端部匝间短路。
2 原因分析
通过对损坏电机拆检，均为电机绕组端部匝间短路故障，发现损坏的四台电机供电电缆较长（超过200米），经过电科院对变频器输入、输入及机端电压进行检测，其检测结果如下：
（1）1#机组液氧泵C机端电压（电缆长度290米）：
机端电压峰-峰值Upp=4.638kV，脉冲电压峰值Upk=2.319kV，超出了电机EN60034标准允许耐受电压2.150kV。
（2）6#机组液氧泵A机端电压（电缆长度283米）：
机端电压峰-峰值Upp=4.534kV，脉冲电压峰值Upk=2.267kV，超出了电机EN60034标准允许耐受电压2.150kV。
（3）4#机组液氧泵C机端电压（电缆长度199米）：
机端电压峰-峰值Upp=4.270kV，脉冲电压峰值Upk=2.135kV，小于电机EN60034标准允许耐受电压2.150kV。
从以上实际检测波形可以看出，1#、6#机组由于电缆长度较长，机端脉冲电压超过电机EN允许耐受电压2.150kV。实际损坏的四台电机都因供电电缆较长，超出变频器允许供电电缆长度，行波反射引起机端电压叠加，使得机端峰值脉冲电压超过了电机允许的耐压，导致电机匝间绝缘损坏。
3 行波反射叠加效应研究
变频器由于整流逆变回路的非线性特性，其输出的电压波形不是正弦波，并含有大量的谐波分量，由于电力电缆的分布电容对谐波电流的放大作用，在电缆传输中形成行波反射叠加引起机端电压升高，电缆越长其冲击电压越大，甚至可以达到输出电压的2倍，影响设备绝缘性能。因此，电机电缆长度对变频器的输出距离有很大影响。
（1）电缆的分布电容
分布电容，是指由非电容形态形成的一种分布参数，任何两个存在压差的绝缘导体之间都会形成分布电容，而电缆的分布电容大小取决于电缆的绝缘材料、长度、尺寸等因素。一般情况下电容值很小可以忽略不计，但是如果电缆线路较长，分布电容的影响较大，就必须考虑分布电容的影响。所以变频器输出距离就与电缆的分布电容有密切关系，电缆线路越长，分布电容的影响就越大。
（2）变频器谐波分量
目前，绝大多数变频器都采用PWM脉宽调制技术，并使用高性能的IGBT，由于变频器逆变回路开关功率器件的非线性特性，其输出电压为非正弦，从而产生大量的高次谐波分量，引起电机过热、过电压造成设备绝缘老化损坏;谐波会引起谐振，从而使谐波分量放大，引发过电压;谐波会造成电磁干扰，导致其它设备误动作。
（3）变频器输出功率
变频器输出功率直接决定变频器到电机的电缆连接长度，变频器输出功率越大相对应的电缆长度也就越长。因此，电缆的分布电容、变频器谐波分量和输出功率直接影响变频器输出电缆的距离。
4 消减措施
根据以上行波反射叠加效应影响因素分析研究，可以采取以下消减措施加以解决。
（1）调整开关频率，减少谐波分量
变频器的开关频率决定逆变器IGBT功率模块的开断次数，变频器的开关频率越高，则电压的占空比越大，变频器输出的波形平滑性越好，高次谐波分量越小;开关频率越高，电缆的分布电容的容抗也就越小（Xc=1/2πfc）。因此将原变频器开关频率由2.5kHZ提高到3kHZ，改善变频器的输出波形。
（2）使用输入/输出电抗器
当变频器的输出电缆距离较长，就需要考虑在变频器的输入输出侧加装电抗器。变频器输入侧加装交流电抗器，可以抑制谐波电流的影响，减少电源侧浪涌对变频器的冲击。变频器输出侧加装交流电抗器，可以把变频器输出的PWM调制波滤波成正弦波，可以有效降低高次谐波，减少电机电磁噪音和损耗。
（3）加装正弦波滤波器
随着变频器输出距离问题，加装电抗器已不能满足长电缆（大于100米）的传输要求，使用正弦滤波器可以有效解决这一问题，正弦滤波器滤除变频器SPWM波形的谐波成分，使变频器输出的波形为正弦波，有效抑制高频损耗和dv/dt射频干扰，极大的提高了电缆传输长度。由于原变频器已加装输入输出电抗器，但因电缆长度（超过260米），无法满足使用要求，因此在变频器输出端加装正弦滤波器，减少电缆行波反射叠加效应，抑制机端电压峰值，大大提高电机使用寿命。
5 结束语
本文通过对低温液氧泵电机损坏原因分析，现场实际检测机端电压峰值，研究解决电缆分布电容及行波反射叠加效应，使得机端脉冲电压峰值超过允许值，造成电机绝缘损坏，并采取加装正弦滤波器等切实可行的措施，解决了变频器行波反射叠加效应造成电机绝缘损坏的问题。
参考文献
《电机学》清华大学出版社 戴文进
《电气控制技术》机械工业出版社 齐占庆
《电能质量 电压波动和闪变》GB/T12326-2008
《旋转电机》EN 60034