摘要：本文著重討論了交流變頻電機在各種實際工業應用場合中的供電電纜長度設計問題。同時針對某些特殊應用場合中變頻器與電機間的供電方式及配置給出了相應的方案。

1引言

自從上世紀90年代初期交流變頻調速技術在中國推廣應用以來，相比傳統直流電機，其無論是在降低能耗，還是降低維護費用方面均具有顯著優勢。隨著交流變頻電機的廣泛應用其在使用過程中出現的一些突出問題需引起工程人員重視。本文著重討論各種應用場合下設計人員對于交流變頻電機與變頻器間電纜選型規范及其實際應用中需注意的各種問題。

2變頻器和電機間最短電纜長度的概念

首先需要建立交流變頻電機與其變頻器間存在最短允許電纜長度的概念。

圖1

如圖1所示，變頻電機和變頻器間的電纜，對地存在分布電容，按照變頻器輸出的脈寬調制波上升沿為Tr=0.1μs，電信號延電纜傳輸速度為V=150m/μs計算。

從圖2可以看出，變頻器輸出的電壓波形的上升沿，傳遞到電機其最短電纜長度為7.5m。按此計算，要求變頻器和電機間最小電纜長度必須大于7.5m,才能保證變頻器輸出的功率能夠滿功率傳送到電機端。

圖2

3普通應用時變頻器和電機間的最大允許電纜長度

在普通應用場合下，變頻器和電機間最大允許電纜長度由電纜的分布電容、電機的耐壓等級、變頻器輸出脈沖波和回波疊加等多種因素決定。

對于變頻電機，其耐壓遵循Vpp=2*Vdc，故交流400V進線電壓的變頻系統電機的耐壓應大于1080V.

圖3

如上圖3所示，變頻器帶電抗器和不帶電抗器二種情況下電機端的輸入電壓波形，可見由于采用了輸出電抗器其dv/dt可以由0.1μs延長至4μs。由章節一內（公式1）Vr可知，單電機驅動時允許的最長電纜長度為300m。

綜合考慮以上內容可得結論：單臺變頻器驅動單電機的應用場合，如果變頻器輸出不加電抗器，Tr=1μs條件下，最大電纜長度應該控制在75米左右。若所需電纜超出這個長度則設計中應增加輸出電抗器且仍需將電纜總長度控制在300米內，以保證電機允許滿負荷且穩定運行。

如果是單臺變頻器驅動多臺電機的應用場合（如下圖4所示），則要根據變頻器到電纜分配箱的距離以及分配箱到電機的距離計算出允許的最大電纜長度。

圖4

其中，電纜分布電容參考值可參考上表1所示

表1

計算舉例：

變頻器規格：250KW,400V。驅動10臺22KW，400V電機。

變頻器到電纜分配箱距離100米，主電纜規格為3*150mm2*3條，分配箱到電機電纜規格為3*16mm2

要求計算由電纜分配箱到電機電纜長度的最大允許值。

假設250KW變頻器驅動單電機時使用3*185mm2*2條帶入上文（公式2）可得：

計算允許最大電纜長度為：49.35米

4特殊應用時變頻器和機間的最大允許電纜長度

采用變頻器驅動的電機還有些特殊應用場合，其電纜長度會達到幾公里，比如泵類驅動，輥道驅動等。這類應用通常只能采用V/F控制方式。由于電纜長度加長可能產生回波疊加效應，造成電纜過壓擊穿，對于這類應用可采用以下方式進行設計。

4.1采用dv/dt濾波器輸出

圖5

上圖5所示為dv/dt濾波器示意圖，經由該濾波器濾波后的輸出電壓波形，到達電機端時便不會存在回波疊加效應，進而避免電纜過壓擊穿現象。如圖6所示，采用dv/dt濾波器其允許電纜長度可相比于采用傳統輸出電抗器輸出時延長1.2—1.5倍，且采用這種配置方式適宜矢量和V/F控制方式。

圖6

4.2正弦波濾波器

在某些特殊應用場合，當變頻器到電機間距離超過1000m,或者采用高-低-高方式供電時，變頻器輸出端必須采用正弦波濾波器，這樣在負載端得到的是接近正弦波的供電波形。

圖7

負載端的dv/dt＜50V/μs，正弦波濾波器要求變頻器不能使用邊緣調制，且其斬波頻率固定，只能采用V/F工作方式，電壓降為8%左右。

圖8

如上圖8所示，為正弦濾波器原理圖，其諧振頻率與斬波頻率相關，約為其1/3，且大于工頻10倍以上。

5降低電機軸電流

由于采用變頻斬波供電，電機定子繞組和轉子間存在不平衡磁場，這樣會在轉子上產生軸電流，當軸電流較大時會帶來以下危害：

損壞電機軸承

影響測速碼盤精度

轉子軸磁化

圖9

實際工業應用現場，減小軸電流比較可行的辦法是要求工廠地接地電阻＜4Ω，降低軸電流對電機的損害可以延長電機使用壽命。

圖10

如圖10示意，消除軸電流有效做法包括：

使用屏蔽電纜

電機、減速機和機械均可靠接地

傳動裝置可靠接地

大型交流電機裝接地碳刷

伴隨變頻電機控制在工業領域的廣泛使用，降低系統干擾、延長電機壽命、增加傳動系統穩定性就變的越來越重要，文章介紹的變頻器應用的一點知識，對于工程實踐起到了一定的幫助。