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变频调速电机工程应用中的电缆长度设计

时间:2018-01-31   来源:王万新,石宽,刘天惠,梁素芬,王亚杰

摘要:本文着重讨论了交流变频电机在各种实际工业应用场合中的供电电缆长度设计问题。同时针对某些特殊应用场合中变频器电机间的供电方式及配置给出了相应的方案。

1引言

自从上世纪90年代初期交流变频调速技术在中国推广应用以来,相比传统直流电机,其无论是在降低能耗,还是降低维护费用方面均具有显著优势。随着交流变频电机的广泛应用其在使用过程中出现的一些突出问题需引起工程人员重视。本文着重讨论各种应用场合下设计人员对于交流变频电机与变频器间电缆选型规范及其实际应用中需注意的各种问题。

2变频器和电机间最短电缆长度的概念

首先需要建立交流变频电机与其变频器间存在最短允许电缆长度的概念。

图1

如图1所示,变频电机和变频器间的电缆,对地存在分布电容,按照变频器输出的脉宽调制波上升沿为Tr=0.1μs,电信号延电缆传输速度为V=150m/μs计算。

从图2可以看出,变频器输出的电压波形的上升沿,传递到电机其最短电缆长度为7.5m。按此计算,要求变频器和电机间最小电缆长度必须大于7.5m,才能保证变频器输出的功率能够满功率传送到电机端。

图2

3普通应用时变频器和电机间的最大允许电缆长度

在普通应用场合下,变频器和电机间最大允许电缆长度由电缆的分布电容、电机的耐压等级、变频器输出脉冲波和回波叠加等多种因素决定。

对于变频电机,其耐压遵循Vpp=2*Vdc,故交流400V进线电压的变频系统电机的耐压应大于1080V.

图3

如上图3所示,变频器带电抗器和不带电抗器二种情况下电机端的输入电压波形,可见由于采用了输出电抗器其dv/dt可以由0.1μs延长至4μs。由章节一内(公式1)Vr可知,单电机驱动时允许的最长电缆长度为300m。

综合考虑以上内容可得结论:单台变频器驱动单电机的应用场合,如果变频器输出不加电抗器,Tr=1μs条件下,最大电缆长度应该控制在75米左右。若所需电缆超出这个长度则设计中应增加输出电抗器且仍需将电缆总长度控制在300米内,以保证电机允许满负荷且稳定运行。

如果是单台变频器驱动多台电机的应用场合(如下图4所示),则要根据变频器到电缆分配箱的距离以及分配箱到电机的距离计算出允许的最大电缆长度。

图4

其中,电缆分布电容参考值可参考上表1所示

表1

计算举例:

变频器规格:250KW,400V。驱动10台22KW,400V电机。

变频器到电缆分配箱距离100米,主电缆规格为3*150mm2*3条,分配箱到电机电缆规格为3*16mm2

要求计算由电缆分配箱到电机电缆长度的最大允许值。

假设250KW变频器驱动单电机时使用3*185mm2*2条带入上文(公式2)可得:

计算允许最大电缆长度为:49.35米

4特殊应用时变频器和机间的最大允许电缆长度

采用变频器驱动的电机还有些特殊应用场合,其电缆长度会达到几公里,比如泵类驱动,辊道驱动等。这类应用通常只能采用V/F控制方式。由于电缆长度加长可能产生回波叠加效应,造成电缆过压击穿,对于这类应用可采用以下方式进行设计。

4.1采用dv/dt滤波器输出

图5

上图5所示为dv/dt滤波器示意图,经由该滤波器滤波后的输出电压波形,到达电机端时便不会存在回波叠加效应,进而避免电缆过压击穿现象。如图6所示,采用dv/dt滤波器其允许电缆长度可相比于采用传统输出电抗器输出时延长1.2—1.5倍,且采用这种配置方式适宜矢量和V/F控制方式。

图6

4.2正弦波滤波器

在某些特殊应用场合,当变频器到电机间距离超过1000m,或者采用高-低-高方式供电时,变频器输出端必须采用正弦波滤波器,这样在负载端得到的是接近正弦波的供电波形。

图7

负载端的dv/dt<50V/μs,正弦波滤波器要求变频器不能使用边缘调制,且其斩波频率固定,只能采用V/F工作方式,电压降为8%左右。

图8

如上图8所示,为正弦滤波器原理图,其谐振频率与斩波频率相关,约为其1/3,且大于工频10倍以上。

5降低电机轴电流

由于采用变频斩波供电,电机定子绕组和转子间存在不平衡磁场,这样会在转子上产生轴电流,当轴电流较大时会带来以下危害:

损坏电机轴承

影响测速码盘精度

转子轴磁化

图9

实际工业应用现场,减小轴电流比较可行的办法是要求工厂地接地电阻<4Ω,降低轴电流对电机的损害可以延长电机使用寿命。

图10

如图10示意,消除轴电流有效做法包括:

使用屏蔽电缆

电机、减速机和机械均可靠接地

传动装置可靠接地

大型交流电机装接地碳刷

伴随变频电机控制在工业领域的广泛使用,降低系统干扰、延长电机寿命、增加传动系统稳定性就变的越来越重要,文章介绍的变频器应用的一点知识,对于工程实践起到了一定的帮助。

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