杂散电容产生工模电流对高压变频器的影响分析

杂散电容产生工模电流对高压变频器的影响分析

曹哲

荣信汇科电气技术有限责任公司 辽宁鞍山 114000

摘要：目前，AC-DC-AC电压型变频器的应用非常广泛，在该类变频器的拓扑结构中，中间直流储能滤波环节，一般采用多个电解电容器串/ 并联或大容量薄膜电容器，也就是直流支撑电容。该电容作为能量储存和转化环节，可以稳定中间直流电压，阻止开关频率的电流谐波进入电网；补偿逆变器所需功率与整流桥输出功率之差，提供瞬时峰值功率；保护逆变器免受电网瞬时峰值冲击；吸收急停状态时所有功率开关器件关断下的电机去磁能量等，是变频器系统的重要装置。

但由于交流输入侧变压器对地以及电缆对地杂散电容的影响，在高压空载运行的情况下，工模电压升高，工模电流在某一个回路中导通会给支撑电容进行充电，导致直流电压升高，从而使得变频器保护跳闸。

本文主要探讨杂散电容对交直交电压型变频器空载测试的影响以及相关处理方式和建议

关键词：支撑电容 杂散电容 工模电压 工模电流

0. 前言

电压型高压变频器的组成主要有三部分，有整流器、滤波器、逆变器，其主要工作原理为将交流输入电压通过整流变为直流电压，由支撑电容稳定直流电压，通过逆变器最后输出不同频率的电压。在前端杂散电容发生变化时，当逆变二极管导通时，会造成工模电流流经支撑电容，造成单元电压的升高，最终高于变频器单元电压过压保护值而造成跳机。

0. 现象描述

更换了变频器移相变压器二次侧至功率柜之间的进线电缆，更换前电缆的型号为JEH-W 1*120 8.7/10kV ，无屏蔽层；更换后的电缆的型号为ZR-YJV 1*240 8.7/15kV ，有屏蔽层。逆变输出侧到隔离刀闸由电缆更换为柜顶铜排，更换前电缆型号为JEH-W 1*120 8.7/10kV ，无屏蔽层。

更换后对变频器进行了相关试验内容，进行高压空载发波，将变压器一次侧接入10kV高压电，根据变比可知变频器整流侧三相输入为1760V，由全桥整流公式可计算得出此时单元的稳压值在2500V左右，网侧电压的波动将会使得单元电压值存在一些差异。需要指出，为了抑制移相变压器合闸励磁涌流，该变频器采用低压反充电，将升压变压器380V/1760V二次侧接到移相变压器二次侧绕组，在合闸前，已经将变压器一次侧充上10kV电压，这样可以有效抑制合闸瞬间的励磁涌流，同时需要确保升压变压器二次侧相序与网侧电压相序一致。

合闸成功之后，网侧10kV高压电接入移相变压器一次侧，功率单元充电完成，电压稳定在2500V左右，给定频率设置为5Hz，单元保护电压设置为3000V，变频运行，观察HMI界面中单元电压采集数据，发现单元直流电压值没有办法稳定，持续升高，在1min20s之后，B1单元电压超过3000V，单元过压保护跳闸。在跳闸前后，变频器的空载输出电压波形正常，相序正确，输出平衡。

0. 原因分析

更换后的电缆为240平，另外相比更换之前增加了电缆屏蔽层接地，更改后电缆对地的绝缘更高，分布电容升高，其实不只是电容器才有电容，实际上，任何两个绝缘导体之间都存在电容，例如电缆之间，电缆与大地之间，分布电容是一种分布参数，其数值不仅随着电缆厂家的生产厂商不同而存在差异，而且会因为电缆敷设方式、工作状态和外界环境因素而不同。

因为 所以

由此可见，漏电流Ic和电缆对地的分布电容c成正比，分布电容升高就会造成漏电流Ic的增大。

在变频运行之前，由拓扑结构可以看出杂散电容产生的工模电流无法形成一个有效的回路，所以在变频运行之前，整流后的支撑电容两端的电压稳定在2500V左右，变频器运行参数都正常。当开始进行空载发波时，逆变侧通过驱动板控制IEGT使二极管导通，从而使得工模电流（在VF模式下，该电流实际上为无功电流）形成回路，开始给支撑电容进行充电，因为在空载发波模式下，变频器没有输出电流，只有输出电压，所以此时的无功电流就会一直给电容进行充电，从而使得直流电压采样板采集单元电压不断升高，直到超出单元过压保护值而跳闸。

图1 变频器功率单元拓扑结构

另外，文中变频器为级联型高压变频器，每相有多个功率单元组成，定义变频器输出共模电压为：

可以得到：

变频器的共模电压主要由电机中性点对地分布电容以及变压器二次绕组对地分布电容承担，在空载发波试验过程中，由于电机处于开路状态，所以分布电容主要来源于变压器二次侧对地电容以及屏蔽高压电缆对地电容，通过试验仿真也验证了该现象，即对变压器二次侧副边绕组增加对地电容，对功率单元第四级加入了对地电容，而对第三级没有加入对地电容，将两级的直流电压进行了对比，仿真结果如图5所示，另外图6为正常情况下不加入任何对地电容情况下两级的直流电压情况（其中，红线为第四级单元的直流电压，绿线为第三级单元的直流电压）

图2 对第四级单元变压器副边加对地电容75uF单元电压情况

图3 不加对地电容下第三、四级单元电压情况

从仿真的结果也可以看出，当输出开路情况下，即在VF模式下，当变压器二次侧绕组对地电容变大后，由于工模电压和工模电流的产生，就会对支撑电容进行充电，使得单元电压值升高。

0. 工模电压抑制方案

对直流侧无中点的情况，可以通过在变频器的输出端（在差模滤波器的输出端也可）设置三相电抗器抑制共模电压。共模电压抑制电抗器有着严格的性能要求：三相正序、负序（差模）电流流过时其电感值为零；三相零序分量（共模）流过时，其磁通相互叠加，进而表现为一个大电感。

差模分量流过时，其等效电路即为差模滤波器的等效电路。共模分量流过时，在共模电压频率点处共模电感的感抗远大于滤波电容器的容抗时，就可以利用共模抑制电抗器LCM 抑制变频器输出共模电压。工程做法是将变频器三相输出导线绕在一个或多个铁氧体磁环上构成共模抑制电抗器，采用10个小磁环并列的方式来增大电感值。

另外，需要强调的时，在高压空载发波的时候，由于在该模式下，变频器的输出电流很小，几乎为0，所以此时的无功电流就会显得尤为明显，待正常连接电机，变频器输出接到负载后，此时变频器的输出电压和输出电流都会非常大，变频器从网侧吸收到的有功电流远远大于无功电流是，工模电流产生的影响将可以忽略不计，那么单元电压也就不会出现升高的现场，将会根据网侧电压的波动稳定在2500V左右。现场启机后也验证了上述所说内容，单元电压正常，无异常波动，输出电压、输出电流波形正常，幅值与计算值相匹配，对于生产运行没有任何影响。

0. 结论

本文对电压型变频器设备的构造进行了描述，另外针对杂散电容对变频器的影响也进行了总结和分析，通过理论计算以及仿真器的仿真实验，找出变频器高压空载发波时单元电压升高的原因，同时也就所存在的共模电压提出了一些抑制工模电压、工模电流的方案；需要指出，共模电压、电流的存在只会载高压空载下对变频器造成一定影响，当变频器正常启机之后，有功电流远远大于无功电流，此时杂散电容对变频器的影响将会忽略不计。

参考文献

[1] 贾贵玺 周晓畅 李 华.高压变频器输出差模滤波器设计和共模电压抑制[J].电工技术学报，2011,(26)：161-165

[2] 王志华.级联型高压变频调速系统工模电压分析[J].电力系统自动化，2003,(27)：58-62