礦用高壓變頻風(fēng)機(jī)絕緣損壞的機(jī)理和對(duì)策

曹建文

（山西天地礦山技術(shù)裝備有限公司，山西 太原030006）

風(fēng)機(jī)在煤礦井下起著非常重要的作用，給礦井提供新鮮的風(fēng)流，為了調(diào)節(jié)風(fēng)量，交流變頻調(diào)速?gòu)V泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)中。但在實(shí)際使用中，高壓變頻風(fēng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)絕緣提早失效的現(xiàn)象，為此，本文通過(guò)對(duì)10 kV/1 MW主風(fēng)機(jī)繞組燒毀的機(jī)理進(jìn)行分析，以為電纜分布電容的存在與電機(jī)電感組成LC諧振網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)對(duì)開關(guān)頻率某次諧波進(jìn)行放大，引發(fā)高頻尖峰電壓，最終導(dǎo)致電機(jī)絕緣損壞。同時(shí)文章給出了濾波器設(shè)計(jì)，并在實(shí)際使用中驗(yàn)證了其有效性。

1 系統(tǒng)描述

1 供電系統(tǒng)

系統(tǒng)供電如圖1所示，10 kV高壓直接供給1 MW的感應(yīng)電機(jī)或經(jīng)變頻器和變壓器供給電機(jī)，變頻器采用成熟的660 V兩電平結(jié)構(gòu)，前端接降壓變壓器T1，后端接升壓變壓器T2，輸出母線到電機(jī)電纜長(zhǎng)度約800米，為了可靠運(yùn)行，在變頻器故障時(shí)，四個(gè)開關(guān)柜可以實(shí)現(xiàn)直接旁路變頻器。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)繞組絕緣提早失效與電機(jī)端存在過(guò)電壓現(xiàn)象有明顯的聯(lián)系，尖峰電壓幅值與電纜長(zhǎng)度、分布電容、分布電感以及PWM波上升沿有密切的關(guān)系。

圖1 系統(tǒng)供電圖

2 系統(tǒng)模型及仿真

電機(jī)繞組絕緣損壞明顯，表明電機(jī)端存在過(guò)電壓現(xiàn)象，主要原因有以下兩個(gè)方面：一，具有快速上升沿的PWM波在電纜傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象；二，變壓器、電纜、電機(jī)的阻抗不匹配可能引起逆變器的開關(guān)諧波放大。為了解釋過(guò)電壓產(chǎn)生的機(jī)理并最終解決問(wèn)題，本文采用集中參數(shù)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化并建模仿真。

2.1 波形反射理論

線路阻抗不匹配是產(chǎn)生波反射的主要原因。在進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)，從受電端看，PWM波經(jīng)過(guò)電纜長(zhǎng)距離傳輸，由于電機(jī)和電纜的阻抗嚴(yán)重不匹配，在電機(jī)端產(chǎn)生了高頻反射現(xiàn)象，反射率T可由公式1計(jì)算：

Z1和Z2分別是目的端和源端的阻抗，電纜的阻抗，可以等效為：

Lc和Cc是電纜單位長(zhǎng)度內(nèi)的分布電感和分布電容，電機(jī)的感性阻抗會(huì)對(duì)高頻信號(hào)呈現(xiàn)高阻抗，結(jié)果使得T≈1。另一方面，在逆變器端，其特性阻抗取決于直流母線電容，它對(duì)高頻信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗，像一個(gè)理想的電壓源，沒有過(guò)電壓現(xiàn)象，甚至還能吸收高頻成分，這樣就會(huì)造成PWM波和電機(jī)端的反射波形相互疊加，產(chǎn)生約2倍直流母線的尖峰電壓。如圖2所示：為了降低尖峰電壓幅值，擬在變頻器和電機(jī)間安裝LC濾波器，改變整個(gè)PWM波傳輸系統(tǒng)的特性阻抗，從而達(dá)到抑制反射并改變其頻譜分布的目標(biāo)。

圖2 電機(jī)端反射波形

2.2 反射模型

為了簡(jiǎn)化分析的問(wèn)題，對(duì)于傳輸電纜，用集中參數(shù)代替分布參數(shù)，其關(guān)鍵是電纜的分布電容，它與電機(jī)的電感組成了LC網(wǎng)絡(luò)，這是造成變頻器開關(guān)諧波放大的主要原因，也是使電機(jī)端承受過(guò)電壓危害的原因，其模型如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化模型

L1、R1、R2、R3是升壓變壓器模型參數(shù)，C1是電纜電容參數(shù)，L2和R4是電機(jī)模型參數(shù)，實(shí)際值如表1所示。

表1 參數(shù)模型值

使用圖3的模型和表1的數(shù)據(jù)，PWM信號(hào)由兩電平變頻器產(chǎn)生，開關(guān)頻率為1 k，經(jīng)仿真和頻譜分析，電機(jī)端電壓的最高幅值約為24.5 kV，約是額定值的1.72倍，如圖4所示；并在電機(jī)端產(chǎn)生一個(gè)約3 kHz的反射波，幅值約為基波的62%，如圖5所示。

圖4 電機(jī)端電壓形

圖5 電機(jī)端頻譜

3 濾波器設(shè)計(jì)

電機(jī)絕緣損壞明顯是由過(guò)電壓造成的，產(chǎn)生過(guò)電壓是由于在變頻器和電機(jī)之間存在感應(yīng)電容，于是設(shè)計(jì)了一個(gè)低通濾波器，消弱反射現(xiàn)象，這個(gè)濾波器位于變頻器和升壓變壓器中間，其結(jié)構(gòu)如圖6，其參數(shù)為：LF=85 uH，CF=2 mF，RF=13 mΩ。

圖6 低通濾波器結(jié)構(gòu)圖

為了驗(yàn)證濾波器的效果，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。在45 Hz時(shí)，電機(jī)端電壓波形如圖7所示，尖峰值為15.5 kV，約是額定的1.18倍。

圖7 45 Hz時(shí)電機(jī)端電壓仿真波形

在安裝濾波器以后，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，變頻器在55 Hz時(shí)，電機(jī)端電壓波形如圖8所示，從圖中可以看出，波形接近于正弦波，并徹底消除了反射現(xiàn)象，保護(hù)了電機(jī)絕緣。

圖8 55 Hz時(shí)電機(jī)端電壓的實(shí)測(cè)波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了PWM波經(jīng)電纜長(zhǎng)距離傳輸后在電機(jī)端產(chǎn)生過(guò)電壓的原因，主要是由于電纜分布電容的存在，與電機(jī)的電感組成LC震蕩網(wǎng)絡(luò)，對(duì)變頻開關(guān)諧波進(jìn)行了放大，出現(xiàn)了約2倍直流母線的尖峰電壓，從而造成了電機(jī)絕緣提早失效。同時(shí)也給出了解決方案，在變頻器與升壓變壓器之間，安裝一個(gè)低通濾波器，改變整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)的特性阻抗，避開諧振點(diǎn)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都達(dá)到了預(yù)期效果。