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摘要：随着电力电子技术及新型半导体器件的迅速发展，功率器件的开关频率大大提高，是变频器输出脉冲电压的上升时间大大缩短，发现其带来一些显著的负面影响。
在实际应用中，变频器和电动机的安装位置往往不在同一个地方，这就需要长线电缆将变频器输出的PWM脉冲电压信号传输到电动机端，然而在变频器经长线电缆供电电动机时，由于电缆和电动机特性阻抗不匹配，将在电动机端发生脉冲电压波反射，产生过电压，高频阻尼震荡，加剧电动机绕组的绝缘压力。此外，当PWM变频器输出脉冲电压的脉宽很小时，将在传输线上发生双脉冲效应和极性反转现象，是电动机端产生更严重的过电压，缩短电动机的使用寿命。因此，研究PWM变频器产生的负面效应及解决方法具有极其重要的理论意义和使用价值。
关键词：变频；传输线；特性阻抗；过电压
引言
随着电力电子和自动控制的发展，变频技术也取得了长足的进步，变频器中所使用的电力电子器件也向着高效、高度集成以及高频开关的频率方向发展；最常见的IGBT型变频器来说，IGBT开关频率已经高达2~20KHZ，这样高的开关频率对变频器性能方面而言是很可观的，再加上PWM控制技术，能够降低谐波污染，提高功率因数同时还可以改善电动机的启动转矩，使其更加平稳，在波形输出方面更加接近正弦波，基波成分增大，因此得到广泛应用。
尽管有着上述的各种优点，但它的负面效应也不容忽视；首先，功率开关管在导通和关断的瞬间，典雅灰从零点快速上升以及从高点迅速下降到零点，在这个瞬间时间是很短的，因而在时间方向上的变化率就很大，会产生电压或电流的浪涌，对变频驱动电机产生冲击。例如变频器功率开关管为IGBT，du/dt就会达到20KV每缪秒；除了峰值浪涌还有电磁干扰（EMI），产生原因是由于输出的脉冲频率高，脉宽窄，波形陡直，前后延上会有尖峰波，这些尖峰波就是电磁干扰的原因，会产生高达几百甚至几兆赫兹的高频电流，按照电磁感应原理，会产生辐射磁场，因而形成高频带的EMI。
在一些生产场所中，变频器和电动机距离较远，这就需要通过长电缆把他们连接在一起；因此长电缆造成的问题就来了，电缆中分布的电感和电容，两者经过计算得到电缆波阻抗，当电缆波阻抗和电机等效阻抗不匹配时，电压信号就会产生反射，这样电压波就分为两部分，一部分为原来的前进波，另一部分就是反射波，两者相互叠加就会使电动机端电压加倍，这样产生的不利影响就是电动机和电缆的绝缘上限升高，存在安全隐患。
此外，普通型的PWM变频器因其调制时会产生零序电压，高频零序电压通过电机绕组中的电容等会产生高频零序电流，电流流经电机轴承，会损坏轴承。若变频器三项电压不平衡会产生共模电压，同样会损害电机绝缘造成轴承损坏；变频器驱动交流电机，若输出波形为非正弦波形，会使电机因中高频波成分而增加损耗，造成电机发热，降低效率。
正文：
1、PWM脉冲电压波反射过电压的抑制对策
高频PWM变频器驱动交流电动机长线电缆传输时，由于电动机特性阻抗与电缆特性阻抗不匹配，将会在电动机端发生波形叠加，有次会在电动机端波反射过电压，高频阻尼振荡现象。由此可见，解决电动机端过电压的方法是使电动机特性阻抗和电缆特性阻抗尽可能相匹配，一种方法是通过加强电动机绝缘强度或者采用较大特性阻抗的电缆，尽管这样可以减小电动机端的波发射系数，从而降低电动机端过电压，但是这样会增加电动机和电缆的成本以及制造的复杂性，榆次同时还会增加电缆上的损耗，另一种方法是改变电动机绕组采用阻抗较小的导线来绕制以降低电动机特性阻抗，但这样使得电动机设计难度增大，难以普及。
1.1常见波反射过电压的抑制方法
目前，对于常规波反射过电压的抑制方法大多数采用无源滤波技术来解决，接在电动机端的无源滤波器称为电动机端滤波器，若是接在变频器输出端则称为变频器输出滤波器。
1.1.1电动机端滤波器
1、一阶RC电动机端滤波器
在电动机端子上安装RC一阶阻尼滤波器可以很好地抑制高频振荡的过电压，原理是：滤波器的R和C对电动机端电压的波形的影响对于陡上升沿的过电压波形来说，滤波器的电容可以被认为零波阻抗，相当于电路，如果取滤波器电阻的阻值与电缆的波阻抗相等，而电动机的波阻抗又远远大于滤波器的阻值，则负载阻抗近似于电阻值，这样一来电缆末端的负载阻抗与电缆的波阻抗想匹配，从也就不会形成过电压。
1.2变频器输出滤波器
上面说的电动机端滤波器，可以有效的抑制过电压，然而在许多场合电动机端子无法接近，那么也就无法在电动机端进行滤波，因此还有另外一种变频器输出滤波器，下面介绍二阶RLC型变频器端输出滤波器。
下图就是一种常传统的变频器输出滤波器，其作用是设法延长变频器输出的PWM脉冲电压的上升时间，并使脉冲上升时间超过反射振荡的临界值，从而减小脉冲很高的du/dt，甚至可以将变频器输出的PWM脉冲电压信号滤成近似正弦波，成为正弦滤波器，从而可以抑制反射过电压，是电动机绕组的绝缘应力大大减小。
1.3变频器输出电抗抑制波反射过电压措施
在变频器输出端加电抗器，既可以减小变频器输出电压脉冲的上升速度，又可以改善电动机端电压的特性，理论和研究表明在PWM变频器驱动系统中，电动机端过电压、定子绕组内的电压分布不均匀以及电动机轴承电流的产生一个共同原因是PWM变频器输出脉冲具有很高的du/dt前后沿，IGBT的上升时间很短，这就是PWM驱动系统电动机损坏的一个原因，因此，要有效的解决尚需问题我们可以减小变频器输出电压的du/dt，要实现这个目的，最直接有效的方法就是在变频器输出端加装电抗器，变频器输出的脉冲电压在经过电抗器后减缓了电源端输出的电压的上升速度，是的脉冲上升沿时间为1微妙以上，从而使得电动机端电压峰值大幅降低，因此可以有效的解决电动机端出现的波反射过电压和阻尼振荡现象。
结论
高频PWM脉冲电压波沿长线电缆供电电动机时，由于电缆和电动机特性阻抗不匹配，将在电动机端产生过电压、高频阻尼振荡现象，其过电压幅值接近变频器两倍的直流侧电压幅值，当变频器输出的PWM脉冲电压很小时，在传输线上发生双脉冲效应和极性反转，其过电压幅值将出现超两倍幅值现象。
通过前面的分析，得出以下结论：
1、PWM脉冲过电压沿长线电缆供电电动机时，将发生行波反射，在电动机端产生过电压阻尼振荡。这种过电压阻尼振荡现象的产生与PWM脉冲上升时间、电缆长度、电缆分布参数、以及负载特性阻抗等参数有关。
2、变频器输出的PWM脉冲上升时间越短，其发生波反射越明显，从而电动机端过电压就越严重。
3、当电缆长度超过临界值时，随着电缆长度的增加，电动机端过电压就越严重，振荡周期就越长。
4、当电缆分布参数变化时，电缆的特性阻抗也就变化，从而影响波反射系数，当电缆长度一定时，电缆分布电感越大，其特性阻抗就越大，反射系数就越小，电动机端过电压就越小，振荡周期越长。
5、当变频器输出PWM电压脉冲宽度很小时，在传输线路上将发生双脉冲效应的干扰。这种情况下在电动机端产生超两倍幅值的过电压。
6、当变频器输出的任意两相电压脉冲非常靠近且极性相反时，在传输线路上将发生极性反转现象，此时在这种情况下，电动机端也会产生超两倍幅值的过电压。
本文针对波反射过电压等问题，考虑采用两种加装滤波器抑制过电压的方法，即一阶RC电动机端滤波器和二阶RLC变频器输出端滤波器。然而这两种滤波器中都含有电阻，将在电阻上产生损耗，降低系统的效率，有考虑散热问题，同时增加了设计难度和制造成本，最后提出采用加装变频器输出电抗器的方法来抑制波反射过电压。
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