关于一拖多电缆那些事儿

电机电缆长度对变频系统的影响

在实际应用的工业现场中，由于空间布置的设计与限制等原因，变频器与电机的安装位置往往有一定的距离。当变频器输出到电机的电缆较长时，电机电缆的分布电容显著增大，如果不采取合理的解决措施，将会造成变频器过流、加速电机绝缘老化或烧毁、干扰被放大等不利的影响。因此，在工程设计及实施阶段一定要注意核对实际的电机电缆长度是否满足相应变频器关于最大电机电缆长度的要求。

电机电缆长度限制的原因

所谓分布电容，就是指由非电容形态形成的一种分布参数，实际上任何两个绝缘导体之间都存在电容，例如导线之间，导线与大地之间，都是被绝缘层和空气介质隔开的，所以都存在着分布电容。分布电容是一种分布参数，其数值不仅会因为电缆的不同而存在差异，也会因为电缆的敷设方式、工作状态和外界环境因素而不同，这需要在设计时综合考虑。通常情况下，电缆单位长度的电容值很小。电缆长度较短时，分布电容的实际影响可以忽略不计，如果电缆很长时，就必须考虑它的不利影响。较长的电机电缆其分布电容明显增大，这会造成在 IGBT 每次通断时都将对电机电缆分布电容产生充放电，从而在变频器实际输出的电机负载电流上又附加了充放电电流尖峰，如图1-1所示：

图1-1

这些电流尖峰的幅值与电缆的分布电容以及变频器输出的电压上升率dv/dt成正比，对应关系为：Ipeak = CCable  * dv/dt 。尽管附加的电流峰值会在几微秒内衰减，但在这个极短的时间内变频器还是要提供这些峰值电流。变频器必须能够提供规定的最大电机电缆长度内的分布电容的充放电流，但如果超出了允许的最大电机电缆长度，将可能会造成变频器的过电流故障。

一拖多电缆长度计算公式

通常变频器输出只连接单电机。但是，某些应用场合需要用一个变频器来驱动多个相同功率的小电机。多电机驱动必须安装输出电抗器。由于单个电机的功率额定值较小，所以其电机电缆截面很小。这些电缆的单位长度电容明显低于单电机驱动时所用的大截面电缆的电容值。因此，多电机驱动时每个变频器输出的允许电缆总长度可超过样本中规定的值。下面简单介绍多电机驱动时允许的最大电机电缆长度的计算方法，图1-2为单电机或多电机驱动时电机电缆相关变量和术语的示意图。

图1-2

多电机驱动时每个电机允许的电缆长度计算公式如图1-3：

图1-3

公式中各变量的含义：

IM：多电机驱动器中每个电机和配电箱之间允许的电缆长度。

nSmax：最大允许连接的并联电机电缆数量。该值可在相应装置的技术数据列表中可查到。

CSmax(Amax)：使用最大连接截面积 Amax 电机电缆时的单位长度电容值。该值可在图1-3 中查找，相关装置的技术数据列表指定了最大连接截面积 Amax 。

ISmax：允许的最大电机电缆长度（取决于电机电抗器的数量和电缆为屏蔽电缆还是非屏蔽电缆），可在相关装置的技术数据列表中查找。

nD：多电机驱动器时变频器和配电箱之间并联的电缆数量。

CD(A)：多电机驱动器时变频器和配电箱之间的电缆单位长度电容，可从所采用电缆的生产厂商处查询。

lD：多电机驱动器时变频器和配电箱之间的电缆长度。

nM：配电箱与电机侧并联电缆的数量。

CM(A)：配电箱与电机侧单位电缆长度的电容，可从所采用电缆的生产厂商处查询

图1-4

以上提供的计算公式同时适用于有配电箱和无配电箱的情况（有配电箱时变频器和配电箱之间使用大截面电缆，配电箱到各电机使用小截面电缆；无配电箱时变频器到各个电机之间直接电缆连接）。无配电箱的系统中，nD*CD (A) *lD等于 “ 0 ”。该公式适用于变频器输出带一个或两个输出电抗器及屏蔽或非屏蔽电机电缆的情况。

计算示例

带有 25 个电机的辊道，每个电机的输出功率额定值为 10 kW，由SINAMICS S120 变频器供电。选择电源电压为 400 V 、输出功率为 250 kW 的变频器来驱动。电缆采用NYCWY。辊道应用数据如下：

变频器放置在空调室中，通过两根并联屏蔽电缆（长度为 50 m，横截面为 150 mm²）为配电箱电。25 个电机通过屏蔽电缆（平均长度为 40 m，每根横截面为 10 mm²）连接到配电箱。

由于变频器同时驱动 25 台电机，属于典型的一拖多配置，所以必须安装一个电机电抗器。现在通过计算来检查选定的变频器及电机电抗器是否可以满足要求。

第一步：

根据样本 D21.3 中的数据，最多可将两根并联电机电缆（每根最大横截面为 240 mm² 如图1-4所示）连接到 SINAMICS S120 / 400 V / 250 kW 型变频器，带一个电机电抗器时允许连接的屏蔽电机电缆的最大长度为 300 m。

图1-4

根据这些数据，我们可以计算出：

nSmax = 2

CS max(Amax)= CSmax (240mm²) = 1.03 nF/m

lSmax = 300 m

第二步：

变频器和配电盘之间电缆的数量 nD、CD(A) 和 lD 计算：

nD = 2

CD(A)= CD(150mm²) = 0.86 nF/m

lD = 50 m

第三步：

配电盘和每个电机之间电缆的数量 nM、CM(A) 计算：

nM = 25

CM(A)= CM(10mm²) = 0.55 nF/m

第四步：

使用计算公式计算配电盘和每个电机之间允许的电机电缆长度如图1-5：

图1-5

每个电机需要的电缆长度为 40 m，位于计算值 lM = 38.7 m 的 10 % 容差带内，这意味着原先的设计可以使用。

总结

当单电机时变频器到电机的最大电缆长度为 600 m（两根并联，每根240mm²，300 m 长，即300*2=600m）；多电机驱动时为 1068 m （连接到配电箱两根并联电缆，每根 150 mm² ，50 m 及连接到电机的 25 根并联电缆，每根 10 mm²，38.7 m 长，即 50 * 2 + 25 * 38.7 ≈ 1068m）。两者相比我们可以发现：多电机驱动时，电缆截面的减少使得最大允许的电缆长度几乎增加为单电机驱动时的两倍，而且总电容值相同