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具有長引線之矩陣轉換器交流電動機高頻對地漏電流的電路模型

摘要"

本文提出了一種具有長引線之矩陣轉換器交流電動機高頻對地漏電流電路模型,該高頻對地漏電流電路模型係由串聯諧振電路組成,並使用Matlab/Simulink模擬,驗證所提電路模型與對地漏電流的關係。
從本文實驗及模擬中可得出,共模電壓與對地漏電流具有關聯性,藉由此關聯性建立串聯等效電路模型。而此串聯等效電路的電阻、電感及電容可使用LCR電表,在對地漏電流的震盪頻率下,量測個別之參數值。
本文使用TECO A.E.E.F/3.7kW/1730rpm之感應馬達與安川之U1000矩陣轉換器作為實驗系統,馬達驅動器切換頻率為4kHz,基頻為20Hz。實驗結果證明,所提出之具有長引線矩陣轉換器交流電動機高頻對地漏電流電路模型的模擬結果,在引線長度為100公尺與50公尺等長引線條件下,與量測結果相符,驗證所提模型的正確性。

關鍵詞:矩陣轉換器、長引線、共模電壓、對地漏電流

前言

變頻器與矩陣轉換器皆會產生共模電壓(零序電壓)造成馬達壽命減少,共模電壓產生的軸電流會對軸承進行放電,使軸承出現條狀電弧傷痕;且共模電壓產生的高頻對地漏電流會流經定子繞阻與馬達外殼間的雜散電容,使得馬達絕緣被破壞[1];此外,由於漏電流的震盪頻率很高,亦或造成電磁干擾的問題[1]。然而矩陣轉換器與傳統的二階變頻器相比,有較小的輸入電流諧波干擾(THD)、共模電壓、共模電流及軸承電流等優點[2]。
從參考資料[1]及[3]中,可得知如何利用串聯等效電路來分析變頻器對地漏電流與共模電壓的關係,與本文不同的地方是參考資料[1]及[3]僅針對變頻器交流電動機高頻對地漏電流電路模型,並未針對具有長引線之矩陣轉換器交流電動機高頻對地漏電流電路模型加以探討;其次,文獻[1]及[3]亦未說明及使用頻率響應分析(Frequency Response Analysis, FRA)分析變頻器引線連接馬達的波德圖以獲得共振頻率點。
參考資料[4]量測矩陣轉換器的共模電壓與得出共模電壓大小,與本文不同是,文獻[4]未考慮在使用長引線時,矩陣轉換器輸出端共模電壓與馬達端共模電壓會有所不同。
從參考資料[5-6]中可得知,不同引線長度將影響對地漏電流波形;與本文不同的包含本文驅動器為矩陣轉換器以及本文分析為對地漏電流且建立等效電路模型的方法也有所不同,參考資料[5]方法為使用轉移函數來模擬出共模及差模電流,參考資料[6]方法為量測共模及差模下阻抗參數值來模擬出共模電流,本文是使用串聯等效電路來模擬出地漏電流。
參考資料[2]、[7]及[8]討論到消除共模電壓及漏電流之濾波器的架構及設計方法,本文主要探討矩陣轉換器使用長引線時,對於共模電壓及對地漏電流造成的影響,以及兩者之間的關係並藉此建立等效電路模型。
本文藉由TECO A.E.E.F/3.7kW/1730rpm 之感應馬達與安川之U1000矩陣轉換器所組成的系統,提出之具有長引線矩陣轉換器交流電動機高頻對地漏電流電路模型,在引線長度為100公尺與50公尺等長引線條件下,其模擬結果與量測結果相符,驗證所提模型的正確性。

高頻對地漏電流

共模電壓

圖1表示為矩陣轉換器使用50公尺及100公尺引線連接馬達,電壓方程式如(1)式所示。
(1)
假設感應電動機,每相等效電阻和電感具有對稱性,因此,,共模電壓變為(2)式所示。
(2)
從參考資料[4]中得知矩陣轉換器所產生的共模電壓峰值為Vcmv(peak)=380*√3/2V,而矩陣轉換器產生的共模電壓迫使對地漏電流流過電動機繞組和電動機框架之間的雜散電容器,造成詳如圖2與圖4的共模電壓波形及快速傅立葉轉換波形如圖3與圖5,矩陣轉換器切頻為4kHz及基頻20Hz。

具有長引線高頻對地漏電流電路模型

圖6為使用頻率響應分析儀PSM1735的量測馬達連接50 m或100 m引線的量測示意圖,圖7(a)及圖8(b)分別為連接50 m或100 m引線所量測得出之波德圖,從圖7(b)及圖7(b)可得知,共振頻率點分別在81 kHz與50kHz附近。顯示不同長引線長度,其共振頻率點因為電路特性阻抗改變而不同。
圖8為測量對地漏電流的量測示意圖。感應電動機由矩陣轉換器驅動,電動機框架接地以確保安全,而地漏電流從電動機框架流過至接地導體。表1列出實驗的矩陣轉換器和感應電動機的額定值。
圖9與圖10分別為矩陣轉換器操作於4kHz切頻及基頻20Hz且引線長度為50 m下的對地漏電流波形及快速傅立葉轉換波形。圖11與圖12分別為矩陣轉換器操作於4kHz切頻及基頻20Hz且引線長度為100 m下的對地漏電流波形及快速傅立葉轉換波形。從圖9與圖12可看出地漏電流的震盪頻率分別為80 kHz與50 kHz左右,與馬達連接引線的共振頻率符合。

串聯等效電路量測與地漏電流模型建立

量測串聯等效電路參數

圖13為使用Hioki IM3536 LCR meter 量測50公尺及100公尺引線連接馬達串聯等效電路的電阻、電容、電感數值,量測操作在對地漏電流震盪頻率分別為81kHz及50kHz,表2為量測數據。

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