劉天惠,石寬,曹鑫輝,范少泉,戴銘,劉健,程金海

(天津電氣傳動設(shè)計研究所,天津 300180)

1 不同情況下的最大允許電機電纜長度

1.1 單電機負載下的允許電機電纜長度

表1列出了帶有1個或2個(串聯(lián))出線電抗器的西門子 SINAMICS G130/150裝置以及S150/120裝置允許的最大電機電纜長度。

表1 SINAMIC S G130/G150,S150/S120調(diào)速裝置最大允許電機電纜長度Tab.1 Maximum permissible cable length of SINAMICS G130/G150,S150/S120 series converter

對于SINAMICS G130/G150調(diào)速裝置,低頻運行時的變頻器輸出端的容性充放電電流將會在裝置直流部分預充電回路以及整流部分晶閘管門極回路表現(xiàn)為相對較高的負載。因此若此時采用兩個串聯(lián)的輸出電抗器,一般沒有通行的出線標準。如果需要采用這種形式,則電纜長度必須針對每一工程具體選擇。

1.2 多電機負載下的允許電機電纜長度

通常單臺變頻器后只接單臺電機。然而對于類似輥道電機或集裝箱起重機吊架電機等應用場合,通常要求多臺小功率電機步調(diào)一致的運行,因此由一臺大功率變頻裝置拖動多臺電機的“一拖多”情況,也應納入我們考慮的范疇。

單臺變頻器拖動多臺電機的應用場合,必須使用輸出電抗器(或濾波器)。對單臺電機而言,由于功率較小,所以電機電纜橫截面積也較小。與拖動單臺電機情況下所使用的電纜相比,由于橫截面積更小,故單位長度導體的對地分布電容也低得多。因此,當使用單臺變頻器拖動多臺電機的時候,在變頻器和輸出電抗器允許的最大電容值范圍內(nèi),每臺變頻器輸出端所接總電機電纜長度可遠大于表1所規(guī)定的單臺電機最大允許電纜長度。

基于表1內(nèi)針對單電機驅(qū)動時給出的數(shù)據(jù),圖1給出一種計算多電機驅(qū)動時允許電機電纜長度lM的方法。

圖1 單電機和多電機驅(qū)動時系統(tǒng)各相關(guān)量框圖Fig.1 Block diagram of single/multi drive sy stem

2 多電機驅(qū)動時允許電纜長度的計算

多電機驅(qū)動時,每臺電機的允許電纜長度由下列公式計算:

式中:lM為多電機驅(qū)動時單臺電機與現(xiàn)場分線箱之間的允許電纜長度;nEmax為單電機驅(qū)動情況下,可并聯(lián)的最多電機電纜數(shù);CE max(Amax)為單電機驅(qū)動情況下,在最大允許橫截面積Amax時,屏蔽電機電纜單位長度導體的對地分布電容;lEmax為單電機驅(qū)動情況下,電機允許電纜長度(取決于輸出電抗器數(shù)量及電纜是否屏蔽);nV為多電機驅(qū)動情況下,變頻器與現(xiàn)場分線箱之間的并聯(lián)電纜數(shù);CV(A)為多電機驅(qū)動情況下,變頻器與現(xiàn)場分線箱之間電纜單位長度導體的對地分布電容;lV為多電機驅(qū)動情況下,變頻器與現(xiàn)場分線箱之間的電纜長度;nM為現(xiàn)場分線箱電機出線端并聯(lián)安裝電纜數(shù),即電機數(shù)量;CM(A)為現(xiàn)場分線箱電機出線端電纜單位長度導體的對地分布電容。

式(1)既適用于由變頻器至現(xiàn)場分線箱再分別連接各電機的情況,也適用于不用分線箱而由變頻器直接連接各電機的情況。在不用現(xiàn)場分線箱時 ,公式中的nV?CV(A)?lV必須等于“0”

無論變頻器還是逆變器,輸出電抗器是1臺或2臺,電機電纜屏蔽或非屏蔽,上述公式均適用。對于輸出電抗器數(shù)量(1或2)以及電纜類型(屏蔽或非屏蔽)的修正值僅表現(xiàn)在 lE max中。lE max的值可由表1中查出。但需要指出的是,當屏蔽電纜與非屏蔽電纜混用的場合,該公式并不適用。比如由變頻器至現(xiàn)場分線箱為屏蔽電纜,而分線箱至各個電機為非屏蔽電纜的場合。

表2中,以NYCWY型屏蔽電纜為參照,列出了不同橫截面積(A)時對應的單位長度導體對地分布電容值(C)。

表2 NYCWY型屏蔽電纜對應不同橫截面積時的單位長度導體對地分布電容值Tab.2 Capacitance per unit length values for cable type protodur NYCWY

3 工程實踐應用

下面以一輥道電機驅(qū)動應用為例,采用式(1)計算允許電纜長度。

假設(shè)該輥道由1臺SINAMICS G150變頻調(diào)速裝置帶25臺10 kW電機驅(qū)動,所選裝置為250 kW,400 V。變頻裝置位于電控室內(nèi),采用2根長50m且并聯(lián)的150 mm2屏蔽電纜輸出至現(xiàn)場分線箱?，F(xiàn)場25臺電機均采用屏蔽電纜接至分線箱。電纜平均長度約40m,均為1×10 mm2導線。

由于采用一臺變頻器驅(qū)動多臺電機,并聯(lián)的電機電纜數(shù)量很大,采用輸出電抗器是非常必要的。下面就通過計算驗證所選用的變頻器及輸出電抗器的組合是否能夠滿足現(xiàn)場要求。

第1步:根據(jù)表1、表2以及SINAMICS G150裝置用戶手冊,求出對應單電機驅(qū)動時的nE max,CE max(Amax),以及 lE max的值。經(jīng)查,SINAMICS G150/400 V/250 kW裝置電機出線端最多可并聯(lián)兩條240 mm2電纜。采用單臺輸出電抗器屏蔽電機電纜時最大允許電纜長度為300 m。因此可得:

第2步:計算變頻器與現(xiàn)場分線箱之間電纜各參數(shù)nV,CV(A)以及 lV。

第3步:計算現(xiàn)場分線箱與每一電機之間電纜各參數(shù)nM以及CM(A)

第4步:計算每臺電機與現(xiàn)場分線箱之間的允許電纜長度。

由于現(xiàn)場要求的40 m電纜長度不超過最終計算值lM=38.7 m的10%,所以以上調(diào)速裝置、電抗器、電纜長度選型均符合現(xiàn)場要求。

由上述實例中的計算不難看出:當采用單電機驅(qū)動方式時,允許電機電纜長度最大為600 m。而采用多電機驅(qū)動時,變頻器與現(xiàn)場接線箱之間電纜長度為100 m,而現(xiàn)場接線箱至各個電機電纜長度共為968 m(25根10 mm2電纜各長38.7 m),總共1 068 m。因此可知,雖然總的允許最大對地分布電容值相同,但由于所用導線橫截面積的減小,采用多電機驅(qū)動方式時的允許最大電機電纜長度可大大增加,幾乎達到單電機驅(qū)動時允許電纜長度的兩倍。

4 結(jié)論

本文針對采用西門子SINAMICS G/S系列變頻調(diào)速裝置的應用場合,引入了一個變頻器與所驅(qū)動電機之間允許最大電纜長度的計算公式。通過對不同負載方式,不同電纜型號及橫截面積,不同輸出電抗器配置等具體情況的區(qū)別分析,同時以單位長度導體對地分布電容值的概念區(qū)別了不同品牌型號不同橫截面積的電纜引起的差異。最終利用此公式推導計算出允許的電機電纜長度,并用它來核算之前的理論設(shè)計并指導將來的工程施工設(shè)計。