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[分享] 1.9 使用快速开关功率器件(IGBT)的影响(中)

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发表于 2018-11-19 18:11:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
在输出功率为几千瓦的驱动器上,ZW Motor/ZW Cable的阻抗比非常高,因此在最大反射时,必须预期反射系数R=2。 然而,随着驱动额定值的增加,阻抗比ZW Motor/ZW Cable变得更有利,这意味着在最大反射时,在大于800kW的驱动上预期的反射系数仅为R=1.7,如下图所示。
QQ截图20181119175623.png
电机端子处的典型反射系数是变频器功率额定值的函数

基于以上给出的方程和图表,对于具有最大反射系数的电机电缆长度,可以精确地计算电机绕组处的相间电压的峰值Vpp:
QQ截图20181119175630.png
下表提供了典型SINAMICS驱动配置的电机绕组处的相间电压峰值VPP的概览,该峰值VPP是上述在具有最大反射系数的电机电缆长度情况下的各影响变量的函数。

电机端子上的峰值VPP在基本整流进线或回馈整流进线的驱动器以电动模式运行时是最低的。
QQ截图20181119175641.png
基本整流进线或回馈整流进线驱动的电机处的峰值VPP

电机端子上的峰值VPP在有源整流进线的驱动器上稍微高一些,因为这些驱动器作为升压逆变器运行。
QQ截图20181119175652.png
源整流进线驱动的电机处的峰值VPP

当VDC Max 控制器或连接的制动单元激活时,电机上的峰值VPP在制动期间是最高的。 在用制动单元的情况下,假设已经根据进线电压调整了其响应电压,即制动单元的较低响应电压被选择用于低进线电压。
QQ截图20181119180210.png
制动单元的变频器制动运行中电机处的峰值VPP

备注:
表中规定的电机处的峰值VPP适用于无叠加效应的开关操作。 这些操作占所有开关操作的绝大部分。 只有当非常短的脉冲出现在由逆变器产生的脉冲(这是非常罕见的事件)内时,电机处的峰值Vpp才能超过表中规定的电平10%至15%达到最大值。 因为这种情况很罕见,所以导致这些短脉冲和电机处的更高的峰值VPP的原因与驱动系统的设计无关,因此在配置过程中可被忽略。

表中规定的相间(相对相)电压峰值VPP与本节开头所述的值电压沿上升时间Tr相结合,是正确选择电机绝缘的基础。 它们也决定由变频器驱动运行时是采用具有标准绝缘还是特殊绝缘的电机。 无论电机是由西门子还是其他制造商提供,这都适用。

下面以西门子SIMOTICS TN系列的N-compact跨标准电机与SINAMICS变频器结合为例,讲述电机绝缘的正确选择,并清楚地说明电机绝缘与由变频器驱动运行之间的关系。

N-compact电机正确选择绕组绝缘
下表显示了具有标准绝缘(A)和变频驱动的进线电压高达690V的具有特殊绝缘(B)的1LA8、1PQ8和1LL8型跨标准N-compact电机的允许电压应力限值。
QQ截图20181119180653.png
跨标准N-compact电机的允许电压应力限值

进线电压小于500V
当驱动电源电压≤500V的1LA8/1PQ8/1LL8的N-compact跨标准异步电机时,标准绝缘且允许电压等级VPP=1500V的电机是足够的。

如果我们将表中电源电压≤500V时出现的峰值VPP与基本整流进线/回馈整流进线或有源整流进线时的值进行比较,则可以看到,无论反射系数如何,这些VPP值始终≤1500V。

在使用制动单元的制动运行中,进线电压为460V、480V和500V时,只有在反射系数R<2情况下,VPP值通常保持在1500V的允许上限阈值以下。这适用于G130、G150、S150和S120装置型和机柜模块,因为这些变频器功率额定值都大于75kW(根据上面的图:反射系数是变频器功率额定值的函数)。

进线电压在500V-690V之间
当驱动电源电压大于500V的1LA8/1PQ8/1LL8的N-compact跨标准异步电机时,需要使用特殊绝缘且允许电压等级为VPP=2250V的电机。

如果我们将表中电源电压>500V时出现的峰值VPP与基本整流进线/回馈整流进线或有源整流进线时的值进行比较,则可以看到,无论反射系数如何,这些VPP值始终>1500V。

在使用制动单元的制动运行中,进线电压为690V时,只有在反射系数R<2的情况下才能保持在VPP在2250V的特殊绝缘的允许上限阈值以下。这适用于G130、G150、S150和S120装置型和机柜模块,因为这些变频器功率额定值都大于75kW(根据上面的图:反射系数是变频器功率额定值的函数)。

备注:
如果电机电缆直接连接到逆变器输出端,并且不使用输出电抗器、dv/dt滤波器或正弦波滤波器,则本章中的所有数据均适用。

使用dv/dt滤波器或正弦波滤波器对电机上的电压上升率和电压尖峰产生重大影响,并将条件改变到电机不需要具有特殊绝缘的程度。 然而,这些滤波器的使用确实施加了某些限制,这些限制在后面的输出侧/电机侧电抗器和滤波器章节中有详细描述。

1.9.4  电机上的陡峭的电压沿引起的轴承电流
逆变器中IGBT的快速开关所产生的陡峭电压边沿通过电机的内部电容产生电流。 由于各种物理现象,这些现象在电机轴承中产生电流。 在最坏的情况下,这些轴承电流可能达到非常高的值,损坏轴承并缩短轴承寿命。

为了描述轴承电流的起因,下面给出了电机及其内部电容的框图,以及由此导出的电气等效电路图。
QQ截图20181119180705.png
电机内部电容的示意图机器等效电路图

定子绕组具有相对于电动机壳体的电容Cwh和相对于转子的电容Cwr。 转子本身具有相对于电机壳体的电容Crh。 轴承可由非线性阻抗Zb定义。 只要润滑膜起绝缘作用,轴承就可视为电容Cb。 然而,如果轴承上的电压增加到导致润滑膜破裂的程度,则轴承开始表现为非线性的、与电压相关的电阻Zn。 电阻Rb表示轴承套和滚珠的欧姆电阻。 下图显示了电机如何集成到驱动系统中,以及各种轴承电流类型。
QQ截图20181119180827.png
电机驱动系统及各种轴承电流类型

循环电流
与电机电缆电容随着逆变器输出端的每次开关沿而改变其极性的方式相同,绕组和外壳之间的电容Cwh的极性也随着每个开关沿而反转。这会在绕组和外壳之间产生一种高频电容性“泄漏电流”,从而接地。这种泄漏电流导致电机中的磁不平衡,从而感应出高频轴电压Vshaft。如果电机轴承上的润滑膜的绝缘能力不能承受该轴电压,则电容性环流流过的路径是:轴→非驱动端轴承(NDE轴承)→电机壳体→驱动端轴承(DE轴承)→轴。因此,该环形电流在一个轴承中从轴流到壳体,在另一个轴承中从壳体流回轴。由于环形电流值取决于绕组和外壳之间的电容Cwh,因此它随电机轴的高度而增加。 在轴高225及以上的电机中这是主要的轴承电流类型。

EDM电流(静电放电加工电流)
绕组上三相对地电压的每个边沿(通常称为“共模电压”)通过绕组和转子之间的电容Cwr给轴承电容Cb充电。 因此,轴和轴承上的电压的时间特性是电动机绕组上的三个相对地电压的叠加。 然而,该电压的幅值根据电容性BVR(轴承电压比)而减小,BVR可通过下式针对每个相位计算:
QQ截图20181119180836.png
在轴和轴承上产生的电压是由绕组上的三相对地电压叠加在每一种情况下乘以轴承电压比BVR决定的。 它一般约等于标准电机绕组上的相对地电压平均值的5%。

在最坏的情况下,轴承电压Vbearing可以达到很高的值,能使轴承上的润滑膜破裂,并且电容Cb和Crh通过短时大电流脉冲放电。 该电流脉冲称为EDM电流(Electrostatic Discharge Machining,静电放电加工)。

转子轴电流
高频电容性“泄漏电流”流过绕组和外壳之间的电容Cwh,导致环流必须从电机外壳流回逆变器。 如果出于高频电流的目的电机外壳接地不良,则高频“泄漏电流”在电机外壳和接地系统之间遇到很大的电阻,在该电阻上发生相对高的压降Vhousing。 然而,如果所连接的齿轮箱或被驱动的机械为了高频电流的目的而更有效地接地,则电流可沿着以下路径流动以遇到最小的电阻:电机壳体通过电机轴承→电机轴→连接的齿轮箱或被驱动的机械到达接地系统并从这里回到逆变器。 当电流沿着该路径流动时,不仅存在损坏电机轴承的风险,而且存在损坏变速箱轴承或被驱动机器轴承的风险。

减少轴承电流的措施
由于由不同的物理现象引起的不同类型的轴承电流,这通常需要采取一系列措施来将所产生的轴承电流降低到非临界水平。 这些措施详见下文。

在下文所描述的措施中,前两项措施的实施对于驱动轴高225或者更大电机的SINAMICS G130、G150、S120(装置型和机柜型模块)和S150单元的变频器是强制性的,换句话说,按照EMC要求安装以便消除转子轴电流,并在电机的非驱动端处采用绝缘轴承以消除环流。 这种组合措施在几乎所有应用中通常都能为轴承提供足够的保护,防止轴承电流造成的损坏。

所有其他措施应仅在驱动器配置极其特殊的情况下才被视为补充和必要措施,且在这种情况下,不可能实现令人满意的EMC标准。

如果在扩建已经具有不良接地系统和/或无屏蔽电缆的现有车间时实际上已经不可能达到符合EMC的安装标准,就值得安装额外的绝缘联轴器以消除转子轴电流。 对于大功率低压电机,基本上也可以安装两个绝缘电机轴承并与轴接地刷和绝缘联轴器相结合,这也是变频器驱动的高压电机的通常做法。

驱动系统中等电位连接的EMC兼容安装
任何等电位连接措施的目的都是确保所有驱动系统组件(变压器、变频器、电机、变速箱和被驱动的机器)保持完全相同的电位,即接地电位,以防止系统中出现不希望的均衡电流。

有效的等电位连接是基于通过在安装现场设计良好的接地系统(保护接地PE)将所有驱动部件接地。 在可能的情况下,应将该接地系统构建为具有大量接地点的网状网络,以便在低频范围内提供优化的等电位连接。

此外,包括变速箱和被驱动的机器在内的整个驱动系统必须相对于高频效应(功能接地FE)正确接地。 该高频接地必须使得在每个驱动系统中的所有驱动组件之间的高频范围内存在有效的等电位连接,从而由变频器驱动系统不可避免地产生的高频电流被安全地控制并且被引导远离保护地PE。

下图显示了一个完整的驱动系统以及各个组件之间的所有主要接地和等电位连接措施。
QQ截图20181119180847.png
驱动系统的所有接地设计和等电位连接措施以减少轴承电流

下面的描述说明了适当的安装如何减少连接的电感,特别是图中橙色和红色连接的电感。 一方面,这有助于将驱动系统中高频电流引起的电压降降降至最低。 另一方面,让大多数高频电流保持在产生它们的驱动系统中,因此对保护接地PE以及其它驱动系统和负载没有任何显著影响。

驱动系统部件的保护接地[0]
所有电气和机械驱动部件(变压器、变频器、电机、变速箱和被驱动机器以及液冷系统上的管道和冷却系统)必须首先与接地系统(保护接地PE)接合。 这些接合点在上图中以黑色显示,并由不需要具有任何特殊高频特性的标准大功率PE电缆制成。

除了这些连接之外,变频器(作为高频电流源)和每个驱动系统中的所有其他组件,即电机、变速箱和被驱动机器,必须从高频角度相互连接。 作为干扰源,变频器由于高频电流必须与基础地牢固接合。 这些连接必须使用具有良好高频特性的特殊电缆。

变频器与电机接线盒之间的高频优化连接[2]
变频器和电机之间的连接必须使用屏蔽电缆。 对于大功率的SINAMICS装置型和柜式变频器,应尽可能使用对称三线式三相电缆进行连接。

具有对称布置的三相导体L1、L2和L3以及集成的三线对称布置的PE导体的屏蔽电缆是最理想的,例如由Prysmian公司提供的 PROTOFLEX EMV-FC,类型2XSLCY-J 0.6/1kV,如下所示。
QQ截图20181119180857.png
屏蔽对称排列的三相三线PE电缆
或者,也可以使用仅包含对称布置的三相导体L1、L2和L3的屏蔽电缆,例如 NYCWY类型的三线电缆。 在这种情况下,PE导体必须尽可能靠近三线电机电缆单独并行布线。

对于书本型变频器,以及较小功率的装置型和柜式变频器,也可以使用屏蔽的、不对称的4线电缆(L1、L2、L3加PE),例如MOTION-CONNECT类型的功率电缆。
QQ截图20181119180908.png
理想的对称3相+对称PE   对称3相+单独PE   非对称3相+PE

如果在电机侧使用EMC电缆密封套使电缆屏蔽层与电机端子接线盒形成一个360°的实心接触面,并且在变频柜侧,使用EMC屏蔽夹与EMC屏蔽母线形成一个360°的实心接触面,则可以实现有效的屏蔽连接。另一种仅将电缆屏蔽层编成”长猪尾辫“连接到变频器的PE母线上的方式,不能起到很好的屏蔽效果,特别是”猪尾辫“很长时,这种屏蔽层对高频电流呈现出相对较高的阻抗。在变频器和电机之间不能出现额外的屏蔽层,例如使用过度端子接线盒,因为这样的屏蔽效果会大打折扣。
QQ截图20181119180922.png
通过EMC电缆密封套连接到电机接线盒
QQ截图20181119180930.png
通过EMC屏蔽夹连接到变频柜EMC屏蔽母线

两端接合良好的屏蔽电缆屏蔽层确保变频器和电机接线盒之间的最佳高频等电位连接。

在已安装无屏蔽电缆的较旧设备中,或在使用高频性能较差的屏蔽电缆的情况下,或在接地系统较差的装置中,强烈建议在变频器的PE汇流条和电机外壳之间额外安装由细绞、编织铜线制成的大截面(≥95mm2)的等电位连接导体。 此导体必须并尽可能靠近电机电缆平行布线。

电机接线盒和电机壳体之间的高频优化连接[3]
在某些电机或电机系列上,电机接线盒和电机外壳之间的电气连接在设计上通常不能提供理想的高频特性。

例如,在大多数带有灰铸铁外壳电机的接线盒和外壳之间会使用扁平非导电密封件。 这意味着电连接基本上是通过几个螺丝点提供的,即使考虑到它们的总效应,也不能为高频干扰提供最佳的低阻抗连接。

因此,必须考虑在接线盒和电机壳体之间额外提供具有良好高频特性的等电位连接的可能性。 如果现有的接地系统很差,情况尤其如此,这是老设备改造时经常遇到的一个问题。

此等电位连接应使用尽可能短的大截面(≥95mm2)接地电缆,并设计为在宽频率范围内具有低阻抗。细绞、编织的圆铜线或细绞、编织的扁平铜条适合于此目的。 接线盒和外壳上的连接点必须有尽可能大的接触区域,并仔细清理表面的油漆或装饰以具有良好的导电性能。 下图显示了合适的电缆选择。
QQ截图20181119180949.png
细绞、编织的圆铜线            细绞、编织的扁铜条

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