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變頻電纜的設(shè)計(jì)與運(yùn)用分析
添加時(shí)間：2018-10-15 22:03:58
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通過對變頻控制器(VVVF)調(diào)頻調(diào)壓機(jī)理、輸出波形特性的細(xì)致分析
，提出設(shè)計(jì)變頻電纜應(yīng)注意的若干問題
，為設(shè)計(jì)變頻電纜提供了一定的依據(jù)。
近二十年來變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用愈加廣泛
，中國變頻器市場研究報(bào)告顯示
，中國的變頻器市場在過去幾年內(nèi)保持15%-20%的高速增長，由于工業(yè)行業(yè)及建筑業(yè)的迅猛發(fā)展以及各行業(yè)的大量投資
，當(dāng)年同比增長達(dá)到了近40%
，市場規(guī)模超過了
85 億元人民幣. 隨著變頻裝置的大量應(yīng)用，與之配套使用的變頻電纜的需求也與日俱增
，市場年需求量也以年
30%的速度遞增
。變頻電纜作為變頻器與負(fù)載之間動力及信號傳輸?shù)膶Ｓ秒娎|
，其設(shè)計(jì)和使用必須滿足變頻工況下的特殊要求。
變頻器工作原理
變頻器的工作原理是把市電(380V
、50Hz)通過整流器變成平滑直流
，然后利用半導(dǎo)體器件(GTO、GTR或
IGBT)組成的三相逆變器
，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電
，由于采用微處理器編程的正弦脈寬調(diào)制方法，使輸出波形近似正弦波
，用于驅(qū)動異步電機(jī)
，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。上述的兩次變換可簡化為
AC-DC-AC(交-直-交)變頻方式
。
目前的變頻電源是通過電力半導(dǎo)體器件調(diào)壓
，較大程度上改變了波形特性，從而對電機(jī)和電纜帶來了新問題
。變頻器中通常通過大功率的自關(guān)斷開關(guān)器件(BJT
、IGBT
等)進(jìn)行整流、然后對直流電壓進(jìn)行 PWM 逆變
，結(jié)果是在輸入輸出回路產(chǎn)生電壓的高次諧波
，干擾供電系統(tǒng)、負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)備，尤其是控制系統(tǒng)的
I/O 信號。
同時(shí)由于高次諧波的存在，使得變頻電纜應(yīng)具有更高的絕緣安全裕度
。在實(shí)際使用過程中，經(jīng)常遇到變頻器高次諧波的干擾問題，下面簡單介紹諧波產(chǎn)生的機(jī)理、傳播途徑等問題。變頻器的主回路一般為交-直-交組成，外部輸入 380V/50Hz 的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶閘管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流電壓。
在整流回路中，由于不規(guī)則的矩形波的存在
，波形按傅立葉級數(shù)分解為基波和各次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。在逆變回路中，輸出電流波形是 PWM 載波信號調(diào)制的脈沖波形，對于 GTR 大功率逆變元件，其 PWM 的載波頻率為 2～3kHz，而 IGBT 大功率逆變元件的 PWM 最高載頻可達(dá)15kHz。同樣輸出回路電流也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，高次諧波電流通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。因此，針對變頻器的工作特點(diǎn)，變頻電纜應(yīng)著重解決以下問題：電纜本體對外發(fā)射電磁波 ，抑制高次諧波通過電纜對外界的干擾;脈沖電壓對絕緣的影響，防止脈沖電壓對電纜的影響
。變頻電纜從電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上解決防干擾能力及絕緣的安全可靠性上顯得尤為重要
。
變頻電纜的工作特點(diǎn)
了解變頻器的工作特點(diǎn)，變頻電纜的設(shè)計(jì)應(yīng)著重控制以下方面：
電纜本體對外發(fā)射電磁波
。一般變頻家用電器為單相供電
，長度很短，功率也較小
，設(shè)計(jì)時(shí)已將變頻電源
、連接電纜和變頻電機(jī)一并設(shè)置在金屬殼內(nèi)，抑制了電磁波對外發(fā)射。但是在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，電機(jī)功率較大，連接變頻電機(jī)和變頻電源之間的電纜長度長，在工作時(shí)電纜就是高頻電磁波向外發(fā)射的有效載體，對于周圍鄰近地區(qū)的通信工具或調(diào)幅接受器將產(chǎn)生干擾，有時(shí)情況也比較嚴(yán)重，稱之為電磁波的環(huán)境污染，國外已對這種電纜提出要求，我們也已提出了相關(guān)
EMC 測試及控制方法。
雖然目前沒有國家規(guī)范規(guī)定電纜發(fā)射電磁波造成環(huán)境污染的考核指標(biāo)
，但抑制對外高頻干擾是必須做到的。要想達(dá)到高頻干擾的有效抑制，變頻電纜屏蔽結(jié)構(gòu)是尤為重要的。屏蔽結(jié)構(gòu)是抑制對外高頻干擾最佳方法，而屏蔽結(jié)構(gòu)分為銅絲編織屏蔽及銅帶屏蔽。電纜采用銅絲編織屏蔽時(shí)，隨著銅絲編織密度的增大，屏蔽抑制系數(shù)也不斷增長，編織密度越大，屏蔽效果越好。
電纜采用銅帶編織屏蔽時(shí)
，只有編織密度達(dá)到 90%以上，其屏蔽效果才與銅帶屏蔽相當(dāng)。所以，變頻電纜應(yīng)盡量采用銅帶屏蔽，以確保屏蔽效果。制造者習(xí)慣采用銅線編織屏蔽，實(shí)際上這并不是最好方法，材料消耗大、加工速度慢、屏蔽效果不是最理想。采用銅帶搭蓋繞包并軋紋是較為先進(jìn)的結(jié)構(gòu)和工藝，形成了全封閉金屬層，可達(dá)到有效的屏蔽功能。
脈沖電壓對絕緣的影響
。變頻電源的頻率調(diào)節(jié)范圍較寬，不論頻率高低
，具有一個(gè)主頻率的波形輪廓
，它包含了許多高次諧波，作為一種行波經(jīng)多次反射
，幅值疊加可達(dá)到工作電壓數(shù)倍
，電纜越長，幅值越高
，若電纜絕緣安全系數(shù)不高，可能被擊穿。因此為確保電纜安全，我們從以下三個(gè)方面著手：
增大絕緣厚度
導(dǎo)體外增加半導(dǎo)電層以均化電場，減少尖端放電
，則在缺陷處產(chǎn)生電場畸變
，容易產(chǎn)生擊穿破壞絕緣。如施加半導(dǎo)電層后
，由于半導(dǎo)電層的存在
，導(dǎo)體表面電場得到均化
，可有效避免絕緣擊穿
。
電纜采用對稱結(jié)構(gòu)，以達(dá)到均化電場和各相均衡
。對于四芯低壓電纜
，首先是改善絕緣線芯的排列，假如電纜的四個(gè)芯直接成纜
，是不對稱結(jié)構(gòu)
，如果將第四芯分解為三個(gè)截面較小的絕緣芯，把三大三小線芯對稱結(jié)構(gòu)成纜
。
屏蔽層接地措施
。屏蔽層接地良好是抑制電磁波對外發(fā)射的必要條件，銅線編織屏蔽的接地方式較容易解決
，而縱包銅帶軋紋屏蔽需用專用夾具接地
，夾具與軋紋銅管的接觸面應(yīng)當(dāng)吻合，接地線由夾具尾端引出
。
外護(hù)套
。這種電纜大多數(shù)敷設(shè)在室內(nèi)，一般不需鎧裝
，雖然不完全排除用聚氯乙烯護(hù)套
，但選用高密度聚乙烯更為合適。
電纜的附加試驗(yàn)
。一般低壓電纜不需要進(jìn)行脈沖電壓試驗(yàn)
，如IEC 60502 標(biāo)準(zhǔn)僅對 3.6/6kV
及以上的電纜才規(guī)定進(jìn)行脈沖電壓試驗(yàn)。變頻電機(jī)的連接電纜情況略有不同，需要承受高頻脈沖電壓。高頻波振幅可達(dá)1200～1900 V，振鈴頻率約
100～2000 kHz ，對電纜進(jìn)行脈沖電壓試驗(yàn)(型式試驗(yàn))是為驗(yàn)證電纜的絕緣水平。試驗(yàn)可參考 IEC 60502 標(biāo)準(zhǔn)，即施加正 負(fù) 各 十
次 脈 沖 電 壓 試 驗(yàn) ， 試 驗(yàn) 電 壓 可 考 慮 40kV
，但需要進(jìn)一步驗(yàn)證
，是否必要工廠也可自行決定。