电机电缆超过300米时的必然选择——级联多电平中压变频器

摘要：在大多数工业电机应用中，包括泵送、压缩、吹塑、输送、挤压和搅拌等，变频器（VFD）都很常见。在60Hz的公用电源上跨线启动运行时，电机的速度和扭矩只能围绕在额定值附近一个非常窄的窗口，才能维持高效运行。变频器允许电机在较宽的速度范围下运行以实现最佳效率，满足各

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了解多电平输出驱动拓扑在中压电机应用中的优势。如何提高电机绝缘可靠性，以及选择变频器时需要考虑哪些因素。

在大多数工业电机应用中，包括泵送、压缩、吹塑、输送、挤压和搅拌等，变频器（VFD）都很常见。在60Hz的公用电源上跨线启动运行时，电机的速度和扭矩只能围绕在额定值附近一个非常窄的窗口，才能维持高效运行。变频器允许电机在较宽的速度范围下运行以实现最佳效率，满足各种不同的扭矩要求，同时降低电机应力和启动电流。

01 变频器的基本原理

对于每台电机，最佳电压和频率会随着应用速度和扭矩需求的变化而变化。当跨线启动时，460V、60Hz电机只能在公用事业提供的电压和频率下运行。变频器可以不断调整输出电压和频率，从而克服这一限制，进而匹配应用负载的最佳运行工况。

最常见的低压（通常是小于1000V）变频器由三部分组成。图1中，电源从左侧（公用电源）流向右侧（电机）。二极管电桥将三相公用事业电源从交流电（AC）转换为直流电（DC）。直流母线充当电池。母线存储从二极管桥接收的能量，在必要时将能量传递给逆变器部分。

▲图1：最常见的低压变频器由三部分组成。电源从左侧（公用电源）流向右侧（电机）。三级驱动拓扑有一个直流母线和六个绝缘栅双极晶体管。

逆变器IGBT（绝缘栅双极晶体管）是以非常高的速度（每秒数千次）接通和关断的开关。变频器无法产生与公用事业电源匹配的、真正的模拟正弦波输出。然而，通过使用脉宽调制（PWM），变频器会产生一系列短脉冲和长脉冲，平均起来它们就代表正弦波电压波形，如图2所示。当被电机绕组的电感平滑时，产生的电机电流近似为正弦曲线。

▲图2：通过使用脉宽调制（PWM），变频器产生一系列短脉冲和长脉冲，平均后，这些脉冲代表了该三级变频器输出的正弦波电压波形。

在原理上，这有点类似于使用带有白炽灯泡的调光开关。调光开关实际上并没有降低灯泡的峰值电压，它只是足够快地打开和关闭灯泡，以至于无法感知到脉冲，并且平均照度会降低。

02 电机绝缘可靠性考虑因素：反射波

当变频器可以安装在电机附近（50米以内）时，通常不需要进一步考虑。电机电缆的电感和电容特性取决于长度。当电缆长度较短时，电缆电感和电缆电容通常足够小，对系统的影响可以忽略不计。

在某些应用中，无法将变频器安装在电机附近。随着电缆长度的增加，电缆的电感和电容特性变得越来越重要。当电机电缆上传播的高频PWM脉冲被电机绕组的不同阻抗反射时，产生的电压反射将与输入脉冲相加。电机处电压反射的幅度，可能高达驱动输出处峰值电压值的两倍。如果不采取额外的预防措施，反射波产生的高压应力，可能会超过电缆或电机绝缘系统的额定值，导致绝缘击穿以及随后的电机或电缆故障。

NEMA MG-1第四节第31部分要求与变频器一起使用的电机或“逆变器负载”电机设计，有能够承受电源额定峰值（Vpeak=√2*VRMS）两倍的绝缘系统（加上10%的裕量），以解决电压尖峰的风险问题。在应用变频器时，重要的是要确保指定的电机绝缘系统不仅适合于公用线路电源，还应适合与变频器一起使用。

另一种常见的解决方案，是在变频器的输出端使用负载电抗器、dV/dt滤波器或正弦波滤波器。在驱动输出端增加电感，会增加每个脉冲的上升时间，从而产生更平滑的波形，并减少电机处的波反射幅度。虽然可以有效地减少电压尖峰，但添加输出滤波器会增加驱动系统的整体成本、重量和占地面积，带来电压降，产生额外的热量，并降低系统的整体效率。

03 级联多电平中压变频器

对于使用低压变频器的250HP以下的电机，提高绝缘额定值以及配置输出滤波器，是降低电机绝缘系统电压反射风险的有效策略，特别是在需要较长的电机电缆的应用中。

同样的缓解策略也可以适用于更大的变频器应用。然而，对于250HP以上的应用，考虑使用多电平中压驱动拓扑在经济上变得越来越可行。通过多电平驱动输出，变频器可以产生近乎正弦的输出波形，在源端消除反射电压应力的风险。

大多数多级变频器所用的构建块，与典型低压变频器的基本构建块（二极管桥、电容器总线和输出IGBT）相同。多电平变频器使用级联拓扑，其中来自多个电容器直流母线的电压以一系列较小的步长相加，而不是打开和关闭单个直流母线电压。当级联瀑布流过一系列小步时，级联驱动拓扑允许输出电压逐渐变小，而不是从全开到全关（如图2所示）。

▲图2：通过使用脉宽调制（PWM），变频器产生一系列短脉冲和长脉冲，平均后，这些脉冲代表了该三级变频器输出的正弦波电压波形。

图3所示的17级输出驱动拓扑，由12条独立的直流母线和48个级联IGBT组成。每个级联的IGBT都只切换全输出电压的一小部分，而不是切换全输出电压。图4所示的输出电压波形平滑，接近正弦曲线。

▲图3:图中所示的17级输出驱动拓扑，具有12个存储能量的独立直流母线和48个级联的IGBT。每个级联IGBT只切换全输出电压的一小部分，而不是切换全输出电压。

▲图4:多级驱动输出波形平滑，接近正弦曲线。平滑的级联输出波形，解决了大多数低压驱动拓扑所面临的反射波电压应力挑战。

平滑的级联输出波形从本质上解决了大多数低压驱动拓扑所面临的反射波电压应力挑战。在来源处消除高振幅开关脉冲，无需添加昂贵的滤波器来防止输出处的反射波现象。平滑的17级输出波形降低了电压应力，延长了电缆和电机绝缘系统的使用寿命。

04 考虑超长电缆系统的谐振因素

值得注意的是，在驱动系统中潜在的有害电压应力中，反射波现象并不是唯一来源。当振荡力与系统的固有频率同步时，就会发生共振。

举一个例子：当孩子在秋千上随机摆动腿时，会导致秋千以非常小的幅度摆动。当小腿“泵送”力的频率与摆动振荡的频率同步时，每个较小的力都会汇入到系统的能量中，从而逐渐增加每次摆动的幅度。在达到最大振幅后（链条松弛），如果继续泵送，则泵送动作的共振将会导致系统变得不稳定。

在电机电缆非常长（通常超过300米）的应用中，还必须考虑电缆系统的电谐振。现代电压源型变频器通过每秒数千次打开和关闭IGBT来调制输出电压。该载波频率通常以千赫兹表示（例如，4kHz=每秒4000个周期）。任何电缆的电感和电容特性的组合都具有独特的谐振频率。当电缆长度小于300米时，谐振频率通常远高于驱动载波频率，几乎不会产生激励风险。随着电缆长度的增加，电缆谐振频率降低。当电缆频率和开关频率相等时，可能会感应出高达峰值电压幅度5倍的破坏性谐振电压。

对于使用超长电缆的应用，应完成对变频器和电缆特性的研究，以评估潜在风险并确定合适的正弦波输出滤波器，以防止共振。