实验结果分析单取出电流的脉冲序列和PWM触发的开关脉冲排列的时序分析,可得到的关系式为ipCEUdt,(1)式中,ip表示脉冲电流峰值,与功率开关开通时间t、变频器直流回路电压变化量Ud有关,而系数CE可以认为是线路电缆线芯间的分布电容和电机绕组间存在着寄生电容。
为了确认电机绕组间是否存在寄生电容,利用方波信号发生器产生幅值一定的高频方波馈入电机的任两相绕组(而将绕组末端X、Y、Z全部断开),再用示波器观察线路的电波的波形,发现线路电流为一系列与方波同频率的恒定脉冲。
关于接线电缆的线间导体分布电容,对不同型号、不同长度的电缆均不同。在实验室现有的几种低压小截面聚氯乙烯绝缘电缆中,测试的线间电容大约有60200pF之间。而工矿企业所用动力电缆大多为多芯金属铠装大截面紧密排列长距离电缆,单位长度线间的分布电容值更大。
在等效电路的结构上,接线电缆分布电容与电机绕组间的寄生电容并联,等效电容的数量级可达103104pF之间。在恒频恒压正弦波电源下,该等效电容的影响可忽略不计。但在高频脉冲电源供电的情况下,此等效电容对变频器及电机运行特性的影响就不容忽视。假定功率开关开通时间为Ton,直流电源幅值变化量为Ud,等效电容值为CE,在电机堵转情况下(无反电势),则脉冲电流为:ip=CEdUddt=CEUdt=CEUdTon。
一般供电的变频器Ud可达600V,快速IGBT功率管的最小开通时间Ton可达0.010.1s;对于115.5kW电机绕组间平均电容可达2103pF.这样产生脉冲电流将会高于稳定工作电流几倍甚至几十倍。例如对Y90L61.1kW3.2A异步电机,取开通时间Ton=0.05s,忽略接线电缆电容,则产生的脉冲电流幅值为:ip=CEUdt=1000pF
600V0.05s=1.2A.
该脉冲电流的幅值已接近此电机额定电流的4倍,如此大的脉冲电流对变频器影响十分严酷。而通常在工厂矿山,变频器与电机之间的接线电缆可长达数十米至上百米,这样接线电容可达几万pF,再加上电机绕组间电容的共同影响,很容易使高频快速PWM变频器的功率开关,在启动或运行中由于无法随过大的冲击电流而烧毁。因此常用增加变频器容量的办法来抵抗脉冲电流,造成增加了额外的生产成本。其次对异步电机来讲影响也很大,脉冲电流使定子的基波电流发生畸变,电机损耗增加、出力相对不足、机械转矩脉动等。脉冲电流还使得电机绕组绝缘老化加剧,电机使用寿命大大缩短。
建议改进方法为防止电机绕组间寄生电容及接线电缆分布电容的影响,可在变频器输出端或直流回路加设适当容量的电抗器,用以抑制脉冲电流的幅度,改善整个系统的工作条件,提高系统的工作性能。另在符合设计规范的前提下,尽量缩短变频器与异步电机之间的接线减少分布电容。