如何确定和满足电动机电缆长度要求？

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，变频器与电动机的安装位置往往有一定的距离。当变频器输出到电动机的电缆长度较长时，由于电动机电缆的分布电容将明显增大等原因，如果不采取合理的解决措施，将会造成变频器过电流、加速电动机绝缘老化或烧毁、干扰被放大等不利影响。因此，在工程设计及实施阶段一定要注意核对实际的电动机电缆长度是否满足相应变频器关于最大电动机电缆长度的要求。

变频器允许的最大电动机电缆长度受限的因素很多，在这里主要分析在实际应用中较为常见的，由于电动机电缆较长而导致逆变器输出电流增加所造成不利影响的原因及其解决措施。NYCWY三芯屏蔽电缆不同截面积对应的单位长度电容量见表5-19。

表5-19 NYCWY三芯屏蔽电缆不同截面积对应的单位长度电容量

电动机电缆的分布电容。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。在通常情况下，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。较长的电动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动机电缆分布电容产生充放电，从而在变频器实际输出的电动机负载电流上又附加了充放电电流尖峰。电动机电缆过长时逆变器输出电压和输出电流的瞬时值如图5-35所示。

图5-35 电动机电缆过长时逆变器输出电压和输出电流的瞬时值

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：I_peak=C_Cable*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。变频器可以提供规定的最大电动机电缆长度内的电缆分布电容的充放电电流，但如果超出了允许的最大电动机电缆长度，将可能会造成变频器的过电流故障。

针对这种原因我们可以在变频器输出侧安装电抗器。在不带输出电抗器的系统中，逆变器输出电压沿的变化率dv/dt典型值为3～6kV/μs，沿着电缆以几乎不变的dv/dt传输到电动机端子，如图5-36a所示。安装输出电抗器后，电抗器的电感和电缆的分布电容形成的振荡电路可以降低电动机端电压的变化率dv/dt。电动机电缆的分布电容越大，电压变化率就降低得越多。对于长屏蔽电缆，电压变化率降到仅几百伏/μs，如图5-36b所示。

图5-36 电动机电缆过长时逆变器输出电压和输出电流的瞬时值

输出电抗器减小了电动机端电压变化率，其电感减缓了电缆分布电容改变极性的速度，从而减小了长电动机电缆引起的附加电流峰值。因此，合理选用输出电抗器或串联两个输出电抗器可允许连接更长的电动机电缆。

SINAMICS S120书本型及装机装柜型装置基本配置时所允许的最大电动机电缆长度见表5-20、表5-21。

表5-20 书本型装置基本配置时允许的最大电动机电缆长度

表5-21 装机装柜型装置基本配置时允许的最大电动机电缆长度

SINAMICS S120书本型及装机装柜型装置带输出电抗器时所允许的最大电动机电缆长度见表5-22、表5-23。

表5-22 书本型装置带一台输出电抗器时允许的最大电动机电缆长度

表5-23 装机装柜型装置带一台或两台输出电抗器时允许的最大电动机电缆长度

在实际应用中影响最大电动机电缆长度的因素还有很多，比如在实际配置中装置与电动机额定电流的比值、最大的负载电流值、实际的供电电压、载波频率、电动机电缆的类型及截面积、电缆的敷设方式、外界环境因素等。

配置功率相对较大的变频器时允许连接更长的电动机电缆，书本型装置配置功率相对较大时允许连接更长的电动机电缆见表5-24。

表5-24 书本型装置配置功率相对较大时允许的最大电动机电缆长度

另外，与工频正弦波电网直接拖动相比，由变频器拖动的电动机绕组在两方面要承受更高的电压冲击：非常陡的电压变化率dv/dt和非常高的因反射引起的电压尖峰V_pp。安装输出电抗器后，电抗器的电感和电缆的电容形成的振荡电路可以降低电压变化率dv/dt。但是，由电抗器的电感和电缆的电容形成的振荡电路只有很小的阻尼，以至于仍会出现严重的电压过冲。电动机端子处的电压尖峰与不带输出电抗器时由反射产生的电压尖峰的数量级基本相同。由于输出电抗器只降低电压变化率dv/dt，而不降低电压尖峰V_pp，所以与不带输出电抗器的系统相比，电动机绕组所承受的电压冲击没有本质差异。

dv/dt滤波器加VPL可以非常有效地将电动机绕组上的电压变化率和峰值电压V_pp限制为：

1）电压变化率dv/dt<500V/μs。

2）电压峰值V_pp（典型值）<1000V对于V_Line<575V。

3）电压峰值V_pp（典型值）<1250V对于660V<V_Line<690V。

因此，对于电源电压为500～690V的电动机，使用dv/dt滤波器加VPL是减少电动机绕组电压应力的合适方法，可以不采用特殊绝缘措施，轴电流也显著减小。使用该滤波器，变频器可驱动标准绝缘且不带绝缘轴承的电压达690V的标准电动机。这适用于西门子电动机和其它厂家的电动机。

SINAMICS S120装机装柜型装置带dv/dt滤波器加VPL时所允许的最大电动机电缆长度见表5-25。

表5-25 装机装柜型装置带dv/dt滤波器加VPL时允许的最大电动机电缆长度

正弦波滤波器可以非常有效地将电动机绕组上的电压变化率dv/dt和峰值电压V_pp限制为下列值：

1）电压变化率dv/dt≪50V/μs。

2）电压峰值V_pp<1.1×2×V_Line。

因此，电动机绕组所承受的电压冲击实际上与直接连接到电网的情况相同，并可显著减少轴承电流。因此，使用这种滤波器时，变频器可驱动标准绝缘和不带绝缘轴承的标准电动机。这既适用于西门子电动机也适用于第三方电动机。

SINAMICS S120装机装柜型装置带正弦滤波器时所允许的最大电动机电缆长度见表5-26。

表5-26 装机装柜型装置带正弦滤波器时允许的最大电动机电缆长度

在装机装柜型装置的技术数据列表中所列出的最大电动机电缆长度，通常是指在标准配置的情况下，驱动单电动机时可连接的电动机电缆的最大连接截面积及并联的根数，见表5-27。

表5-27 装机装柜型装置技术数据列出的最大电动机电缆长度

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通常变频器输出只连接单电动机。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动机。多电动机驱动必须安装输出电抗器。由于单个电动机的功率额定值较小，所以其电动机电缆截面积很小。这些电缆的单位长度电容明显低于单电动机驱动时所用的大截面积电缆的电容值。因此，多电动机驱动时每个变频器输出的允许电缆总长度可超过上表中规定的值。下面简单介绍多电动机驱动时允许的最大电动机电缆长度的计算方法，图5-37为单电动机或多电动机驱动时电动机电缆相关变量和术语的示意图。

图5-37 单电动机或多电动机驱动时电动机电缆相关变量和术语的示意图

多电动机驱动时每个电动机允许的电缆长度计算公式为

式中l_M——多电动机驱动器中每个电动机和配电箱之间允许的电缆长度；

n_Smax——最大允许连接的并联电动机电缆数量，该值可在相应装置的技术数据列表

中可查到；C_Smax（Amax）——使用最大连接截面积A_max电动机电缆时的单位长度电容值，相关装置的技

术数据列表指定了最大连接截面积A_max；

l_Smax——允许的最大电动机电缆长度（取决于电动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；

n_D——多电动机驱动器时变频器和配电箱之间并联的电缆数量；

C_D（A）——多电动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；

l_D——多电动机驱动器时变频器和配电箱之间的电缆长度；

n_M——配电箱与电动机侧并联电缆的数量；

C_M（A）——配电箱与电动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。

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积电缆，配电箱到各电动机使用小截面积电缆；无配电箱时变频器到各个电动机之间直接电缆连接）。无配电箱的系统中，n_DC_D（A）l_D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动机电缆的情况。

计算示例：

带有25个电动机的辊道，每个电动机的输出功率额定值为10kW，由SINAMICS S120变频器供电。选择电源电压为400V、输出功率为250kW的变频器来驱动。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50m，横截面积为150mm²）为配电盘供电。25台电动机通过屏蔽电缆（平均长度为40m，每根横截面积为10mm²）连接到配电盘。

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

第一步：

通过图5-36以及样本D21中的数据计算出单电动机驱动时的数据n_Smax、C_Smax（A_max）和l_Smax：根据样本D21.3中的数据，最多可将两根并联电动机电缆（每根最大横截面积为240mm²）连接到SINAMICS S120/400V/250kW型变频器，带一个电动机电抗器时允许连接的屏蔽电动机电缆的最大长度为300m。

根据这些数据，我们可以计算出：

n_Smax=2

C_Smax（Amax）=CSmax（240mm²）=1.03nF/m

l_Smax=300m

第二步：

变频器和配电盘之间电缆的数量n_D、C_D（A）和l_D计算如下：

n_D=2

C_D（A）=C_D（150mm²）=0.86nF/m

l_D=50m

第三步：

配电盘和每台电动机之间电缆的数量n_M、C_M（A）计算如下：

n_M=25

C_M（A）=C_M（10mm²）=0.55nF/m

第四步：

使用计算公式计算配电盘和每台电动机之间允许的电动机电缆长度：

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

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

计算中选取的电缆每单位长度的电容值，参考的是图5-36中所列出的NYCWY电缆的技术数据，如果用户选择的是其它型号的电缆，请从电缆的制造商获取其单位长度的电容值，否则依据此方式计算出来的电缆长度，无法保证在应用到实际现场时系统能正常运行。

在实际应用的很多项目中，变频器和电动机之间需要连接较长的电缆，一定要注意核对实际的电动机电缆长度是否满足相应变频器关于最大电动机电缆长度的要求，为了避免其造成的不利影响，可以综合考虑限制电缆长度的诸多因素，采取合理的解决措施。在无法确定电缆相关参数和其它因素的情况下，请参照手册或样本中装置所允许的最大电缆长度来限制电动机电缆长度。