防爆变频器超长距离输出电路的设计及应用
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摘 要
防爆变频器在煤矿生产应用时受现场应用空间限制，变频器和电机之间往往有一定距离。受超长输出距离分布电容的影响，在电机端产生过电压[1]，损坏电机绝缘性能。本文设计了一种输出滤波电路，结合实际应用验证方案的可行性。
关键词
防爆变频器;长距离;输出滤波
中图分类号： TN773.2 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 41
Abstract
Due to the influence of the ultra-long output distance distribution capacitance， overvoltage is generated at the end of the motor and the insulation performance of the motor is damaged. e.
Key words
Frequency transformer; Long haul; Output filter
0 引言
防爆变频器在煤矿井下用于电动机的软启动和调速运行。由于长距离电缆存在分布电容，增大电动机端dv/dt，增加电动机端电压峰值，加速绕组绝缘老化，影响电动机绝缘性能，限制了变频器的输出距离。但是防爆变频器应用场合经常出现距离100m以上的情况。为此，需要在变频器输出端增加滤波电路，解决上述问题。
1 原因分析
影响变频器输出端到电机端电缆长度因素较多，主要有以下几点原因：
1.1 分布电容的影响
分布电容存在相互绝缘且存在电压差的导体间。导线之间，导线与大地之间都存在分布电容。如果变频器输出距离较长，就必须考虑分布电容的影响。输出线上的分布电容和分布电感的共振产生浪涌电压，将与变频器输出电压叠加，产生电压峰值，会造成电机绝缘损坏，烧坏电机。
1.2 变频器PWM控制策略的影响
目前，IGBT是防爆变频器的核心器件，开关频率可达20kHz，一般采用PWM脉宽调制技术控制[2]。电力电子器件IGBT的快速开关在电动机端会产生共模电压和电压、电流的突变，这使得电压、电流波形中含有大量的谐波成分，会使变频器输出电流增大，造成电机绕组发热，加速绝缘老化，还可能损坏电机。
2 输出电路的设计
在变频器与电机之间增加输出滤波回路是解决上述问题的主要解决方案，具有成本低、效果好的优点。
2.1 输出滤波电路拓扑结构
变频器输出滤波电路由电抗器、电阻、电容组成，拓扑结构如下图所示：
本输出滤波电路设计原理是通过增大脉冲电压上升时间，降低变频器输出电压的变化率，进而抑制电机侧端电压。
对相同的上升时间而言，谐振频率ω越小，dv/dt滤波器的电感和电阻值越大，成本也会增加。因此，在滤波电路设计过程中，要综合性能、成本等各方面的因素[3]。
3 设计案例
3.1 计算步骤
根据电机dv/dt设计值计算得到系统的上升时间ts;根据系统上升时间ts，确定对应的ω值和电容大小;计算电感值;计算电阻值。
3.2 以1140V变频器为例
3.3 试验
按照上述计算值，设计输出滤波电路。并进行试验验证。
搭建试验平台，电缆长度500m，对输出滤波电路进行效果测试，图3、图4为未加载情况下变频器输出侧脉冲电压上升时间和峰值。图5、图6为加载情况下变频器输出侧脉冲电压上升时间和峰值。
图3、图4可以看出，上升时间为24us，最大值为2.3KV。从图5、图6可以看出，电压峰值2.42KV，上升时间为27us。可以看出，加載时的脉冲上升时间大于空载时脉冲电压上升时间，变频器带载时dv/dt比空载时小。同时，可以得出，变频器带载时输出电压脉冲上升时间远大于输出滤波电路设计值，满足设计要求。
4 结论
本文针对防爆变频器在超长距离条件下使用时，提出了输出滤波电路详细设计方案及计算步骤，并通过试验验证了该设计方法的正确性与实用性。变频器输出滤波电路可以降低防爆变频器在超长距离条件下使用时输出电压变化率，保护电机绝缘性能，为防爆变频器在超长距离条件下的使用提供了一种可行的方案。
参考文献
[1]田军，丁中挥.变频调速装置dv/dt滤波器设计[J].船电技术，2013，07：3-6.
[2]姜艳姝，马洪飞，等.一种新颖的用于减小电机终端共模dv/dt的逆变输出滤波器[J].电机与控制学报，2002，02：123-127.
[3]高晨.变频器在长电缆应用环境下引起电机端子过电压的研究和仿真及dvdt滤波器的设计，硕士论文，上海交通大学，2015.
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