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KEB dV/dt 电梯扼流圈:保护您的电梯电机投资

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图 1:典型的 IGBT 开关周期

本文解释了变频驱动器产生的高 dV/dt 的影响,并提供了保护电梯电机的解决方案。

由 KEB America, Inc. 提交。

在过去的 20 年中,交流变频驱动器 (VFD) 在电梯应用中得到了广泛的认可。 总的来说,交流电梯驱动器提供了更好的乘坐性能、更高的系统效率和先进的控制器可靠性。 然而,使用 VFD 并非没有副作用,其中之一是高 dV/dt 或电压增加。 本文解释了 VFD 产生的高 dV/dt 的影响,并提供了保护电梯电机的解决方案。

什么是 dV/dt 尖峰?

大多数商用交流电梯 VFD 使用一种称为脉冲宽度调制 (PWM) 的技术来模拟三相交流正弦电压输出。 PWM 通过快速打开和关闭驱动器的输出绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 来运行,调制驱动器的直流总线电压。 当 IGBT 闭合时,VFD 输出端的电压增加到直流母线的电压(图 1)。 电压的变化不是瞬时的,而是在给定的时间内上升到直流母线电平 (TRISE)。 电压增加的速率称为 dV/dt 上升时间,是晶体管设计的一个特征。

电机布线和反射波

电梯驱动器和电机之间的电机电缆具有特性阻抗,它取决于电缆长度和电缆材料的物理特性。 电机电缆充当传输线并将驱动器的输出电压传播到电机。 如果电机和电缆的阻抗不匹配,电机负载处会发生波反射。 这会导致电机端子上的电压过冲或“振铃”以及反射波返回驱动器(图 2)。 在最坏的情况下,反射波可能会添加到来自驱动器的基波波形中,从而导致电机端子上的电压显着升高。 较长的电机引线具有更大的阻抗,最终会增加电机引线上的电压。 因此,最好将电机和驱动器安装得尽可能靠近。

切换频率

在电梯应用中以更高的开关频率运行是可取的,因为它可以减少 VFD 产生的可听噪声,同时为电机提供更高质量的电流波形,从而降低电机损耗。 当 AC VFD 首次在电梯应用中进行商业应用时,晶体管通常以 2 kHz 左右的频率循环。 随着技术的进步,具有更高 dV/dt 上升时间的晶体管变得可用,从而允许在更高的开关频率下运行。 如今,大多数电梯驱动器的标准开关频率为 8 kHz,并可选择在应用需要时运行至 16 kHz。 重要的是要注意,更高的开关频率需要晶体管更频繁地开启和关闭,从而使电机暴露于更多的高压峰值。

dV/dt 对电机工作寿命的影响

简而言之,来自高 dV/dt 的电压峰值会破坏电机的绝缘并缩短其使用寿命。 今天生产的大多数三相交流电机都是“逆变器额定的”,使用额定电压至少为 1,600,​​480 V 的电线和绝缘材料。某些电梯应用(16 VAC、长电机引线、1,600 kHz 开关等)更适合容易受到 dV/dt 故障的影响,并且会遇到超过电机绝缘额定值的电压尖峰。 然而,即使 dV/dt 尖峰不超过 480 V 绝缘额定值,在电机的整个生命周期中反复暴露于尖峰下也会对绝缘造成压力和削弱。 随着时间的推移,电机绝缘系统可能会发生故障,导致绕组中的相间或相地短路以及灾难性的电机故障。 由于变频器的峰值输出电压与直流母线电平直接相关,因此与 230 VAC 安装相比,480 VAC 安装中的 dV/dt 尖峰会更大。 应采取额外的预防措施来减轻 XNUMX VAC 安装中的 dV/dt 尖峰。

最大残留限量应用

电机故障在无机房 (MRL) 应用中尤其成问题,因为电机位于井道中并且不容易被倒带或更换。 MRL 应用中的电机故障可能会导致维修成本高昂并导致大量停机时间。 此外,MRL 应用特别容易受到 dV/dt 尖峰的影响,因为电机通常不能位于电梯驱动器旁边,并且该应用需要长距离布线,这会增加 dV/dt 电压峰值的幅度。

dV/dt 缓解和过滤器

为了保护电梯电机免受高 dV/dt 影响,人们可以做的第一件事是尽量减少电梯驱动器和电机之间的电缆长度。 另一种选择是降低驱动器的载波频率,但这在电梯应用中通常是不可取的,因为它会引入可听噪声。 如果两个选项都不可能,顾问应考虑指定 dV/dt 滤波器(或扼流圈),这将减少 dV/dt 上升时间并降低电机的峰值电压。

dV/dt 滤波器直接放置在电梯驱动器的输出端,并将电压变化率 (dV/dt) 限制为滤波器设计的电平特性。 将滤波器尽可能靠近驱动器的输出放置很重要,这样电压峰值就不会通过电机电缆传播。 除非电机和电缆阻抗匹配,否则驻波反射仍可能发生,但通过过滤 dV/dt 尖峰,负面影响可显着降低。

KEB dV/dt 滤波器

KEB 与电梯行业密切合作已有 20 多年,目前提供其第二代 dV/dt 电梯滤波器。 KEB 滤波器专为电梯应用而设计。 KEB dV/dt 电梯滤波器的一些设计特点可以在图 6 中找到。

PM/MRL 应用

需要注意的是,KEB dV/dt 扼流圈被设计为具有低阻抗,不会扭曲驱动器的内部电机模型。 具有 2-3% 阻抗的标准输出电感扼流圈会极大地影响电机性能,导致峰值扭矩降低、满载时难以达到合同速度以及电机控制普遍不稳定。 根据经验,KEB 建议在电机距离电梯驱动器 40 英尺以上的所有 MRL 应用中使用 dV/dt 滤波器。

常问的问题

  • 问:我什么时候需要 dV/dt 滤波器?
  • 答:KEB 建议在电机距离驱动器 40 英尺或更远的所有安装中使用 dV/dt 扼流圈。 建议在更近的安装中使用 dV/dt 扼流圈,但这是可选的。
  • 问:我可以将 KEB dV/dt 扼流圈与其他驱动器一起使用吗?
  • 答:是的。 由于 KEB dV/dt 扼流圈具有低电感,因此它们不应影响驱动器在自动调谐或扭曲内部电机模型期间测量电机参数的能力。
  • 问:我可以使用标准电机扼流圈来减轻电梯应用中的高 dV/dt 吗?
  • 答:不建议这样做。 这些扼流圈中的高电感和电容耦合仍会导致高 dV/dt,同时限制电机在加速期间的峰值扭矩。
  • 问:我可以将 KEB dV/dt 扼流圈用于 PM 无齿轮或感应齿轮机器吗?
  • 答:是的。 KEB 扼流圈可有效限制两种应用中的电压瞬变,并且不会对任一电机的运行产生负面影响。
  • 问:我可以将 KEB dV/dt 扼流圈用于 230-V 或 480-V 应用吗?
  • 答:是的。 扼流圈设计用于高达 550 VAC 的电压。
  • 问:KEB dV/dt 扼流圈的成本是多少?
  • 答:dV/dt 扼流圈通常是电梯电机成本的 1-3%。 这代表了一个小的前期投资,以防止将来进行昂贵的维修或更换。
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