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有关电机绝缘推文的相关参考资料，请参考附录中的文献。
文中讨论主要以西门子产品“1LA8/1PQ8”产品为主，对于标准电机将以相关手册为准。
2、前言
我们在前一篇推文中介绍了在变频器系统中相关于电机绝缘在选择配置中需要考虑的问题，以及电压源型PWM变频器的基本原理（点击“阅读原文”跳转到前一篇推文）。
在本文中，将详细的介绍PWM变频器对电机绕组绝缘的影响。
3、PWM电压脉冲波在电机绕组端的波形分析
3.1 PWM电压脉冲波在电缆上的传输模
PWM脉冲上升时间很短，沿电机电缆到电机传播时PWM波形将改变脉冲形状，会产生电压波形超调。此时电缆可看做传输线，即如图所示的无限组分布式串并联连接的电感-电容回路。为简化问题，以一相为例。
图1 电缆的分布式感抗与容抗*
*请参考附录文献[1]
根据传输线理论可推出线路上的脉冲传输速度为1/.LC m/s，其中L，C分别为单位长度的感抗与容抗。典型的PVC绝缘电缆上的脉冲传输速度约为
（即100ns内传输角距离为17m）。在一般情况下，其传输速度基本没变化，原因在于脉冲传输速度主要决定于内部绝缘材料的介电常数。
3.2 PWM电压脉冲沿电机电缆传输的描述
脉冲如何沿电机电缆传输的基本过程将在下面的几幅图中展示。
PWM电压脉冲在变频器侧的波形
在PWM波形中每个电压脉冲都存在一个“脉冲边沿”，脉冲在时刻t=0处达到电缆的驱动端，由于IGBT导通过渡过程，脉冲经过tr时间逐渐由0升至直流母线电压Ud。
图2在驱动侧电缆端中脉冲的上升时间t=tr*
*请参考附录文献[1]
在这个理想的例子中，假设脉冲逐渐在驱动侧电缆端逐渐建立电压的过程时间tr小于脉冲在电缆传输的时间tp，假设的前提是电缆长度超过30m。
PWM电压脉冲次达到电机绕组侧的波形
脉冲沿电机电缆从驱动器侧传输到电机侧。
图3 脉冲在次延电缆传输后的时间t=tr+tp*
*请参考附录文献[1]
当脉冲到达电机时，由于电机绕组具有很高的高频阻抗远大于电机电缆的高频阻抗，脉冲将立即被反射。这将引起电压升高到2倍的初始峰值电压。电压将由两部分表达，正向传输的电压脉冲和反射的电压脉冲，每个电压脉冲的幅值为+Ud。
PWM次反射波达到变频器侧的波形
在反射过程中，反射电压从电机侧电缆端传输至驱动器侧电缆端需要时间，同样为tp。所以在经过两次电缆传输后的总时间为t=tr+2tp
图4 脉冲在2次电缆传输后再次返回到变频侧电缆端的总时间t=tr+2tp*
*请参考附录文献[1]
反射到变频侧电缆端的脉冲由于变频器的阻抗非常低，这个反射电压在变频侧电缆端再次被反射时，其极性变为负的反射电压。总的脉冲电压由于驱动器在驱动侧电缆端的钳位作用，驱动侧电缆端电压仍为直流母线电压Ud。在驱动器侧产生的负值反射电压通过电缆传输（由驱动侧电缆端→电机侧电缆端）产生负值电流脉冲。
PWM电压脉冲经过2次反射达到电机绕组的波形
在第二次反射后的传输为反射电压由驱动侧电缆端至电机侧电缆端，其传输时间为tp，反射电压极性为负，通过传输线传递到电机绕组端时，类似于初始脉冲，将在电机端产生反射，由于这个电压极性为负，同样产生-2Ud的峰值电压，与初始正向电压脉冲+反射电压的+2Ud结合后，抵消了正向电压脉冲，即第二次反射后在电机绕组端削减了电压峰值。在经过3次电缆传输后的总时间为t=tr+3tp。
图5 脉冲在3次电缆传输后再次返回到电机侧电缆端的总时间t=tr+3tp*
*请参考附录文献[1]
在电机端的总电压表达为正向脉冲电压（初始电压）+Ud，反射回来的负值脉冲电压-Ud的和，所以总电压在电机侧电缆端表现为0，从上图中可以看到t=2tr+3tp之后的电机端电压为0。如果电缆长度很短，脉冲传输时间2tp小于tr，那么电机端电压无法达到2Ud。在例子中，由于较长的电机电缆，经过2次反射后迟于初始脉冲达到电机端，无法削减在电机端的电压峰值（所以在长电缆中电机端将会出现2倍Ud）。
理论上，多次反射将是在电机端的电压持续的振荡。实际上，电压上升率很大，产生的高频由于电缆上的高频高阻抗特性极大的衰减，所以电机端波形相较于图2~5中显示的理想的波形更加圆滑，而非棱角分明。
图6 电缆长度为3m下电机端的典型脉冲电压波形的特征图
同时考虑高频损耗，在一个脉冲周期内的峰值电压振荡逐渐衰减，直至稳定到直流母线电压。图6显示了3m下的电机端的电压波形的过渡过程，并根据图2~5所描述的理论过程标注出对应的状态节点。
电机峰值电压是电机电缆长度（决定脉冲传输时间tp）以及上升时间（tr）。图7中显示实际情况下典型测量的电压波形（测试电压为460V）。4m电缆存在超调振荡，42m超调大可达100%
a)电缆长度=0.5m* b)电缆长度=4m*
c)电缆长度约为280m
图7 不同电缆长度下的电机端脉冲波形（注意a，b，c图的量程不同）
*）请参考附录文献[1]
3.3 电机端电压脉冲上升时间的定义
脉冲的上升时间对于这些影响的研究十分重要。由于到达电机端的脉冲不再是梯形波了，所以对于定义上升时间就不是很明确。这样造就了两个标准体系，IEC和NEMA标注，对于上升时间的定义不尽相同。
a) IEC60034-17
b) NEMA MGI part 30:1
图8 上升时间的不同定义
图8解释了根据两个标准下对同一个电机端脉冲上升时间的计算应用，从中可以看到，IEC标准中定义的上升时间为脉冲电压的大峰值的10%至90%的时间间隔；NEMA标准中定义的上升时间为终稳态脉冲电压的10%至90%的时间间隔。可以得出IEC计算的上升时间是NEMA的约为2倍。在本文中有关上升时间的计算是基于IEC60034-17及IEC60034-25。
4、结论
本文中讨论了PWM电压脉冲波在长线传输的模型以及在电机绕组端的电压波形。对于较长的传输电缆，将在电机绕组端产生2倍于直流母线电压的瞬时峰值电压。其决定因素为电压脉冲的上升时间及电缆长度。
电机绕组端出现的上升率及峰值都很高的电压，在电机绕组中的传输过程中，将对电机绕组的绝缘产生影响，在接下来的推文中，将介绍此瞬态电压在电机绕组中的响应及对于电机绕组绝缘的影响。
5、附录
文献引用：
[1] GAMBICA_Motor_Insultation_Voltage_Stresses_Report1_3rd_Edition
[2] Winding_HV Micalastic - Insulation System_Customer Information TU-IK019_en_2008
[3] Winding_LV Durignit F - Insulation System_Customer Information TU-IK020_en_2007
[4] Winding_LV Durignit H - Insulation System_Customer Information TU-IK074_en_2007
[5] Winding_LV Insulation System - Voltage Stress_Customer Information TU-IK 002_en_2001
[6] sinamics-engineering-manual-v6-0-en
[7] ABC of Drives_en
[8] ABC of Motors_en
[9] Engineering manual_motors LV standard-drives-en
[10] motion-control-drives-D21-4-complete--English-2017
[11] Motors-D81.1-complete-English-07-2019
本文摘自：网络 2022-11-10
