變頻調(diào)速裝置dv/dt濾波器設(shè)計(jì)

田軍, 丁中揮

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064)

0 引言

采用變頻調(diào)速裝置供電的電力推進(jìn)系統(tǒng)中，負(fù)載電機(jī)的端電壓不再是電網(wǎng)供給的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，而是由逆變器輸出的一系列PWM脈沖電壓。電力電子器件（常用IGBT、IGCT）的高速開(kāi)關(guān)特性在電動(dòng)機(jī)端會(huì)產(chǎn)生共模和差模dv/dt[1]（如圖1），不加濾波器可達(dá)數(shù)千V/μs，尤其當(dāng)電動(dòng)機(jī)和變頻器之間不可避免的采用長(zhǎng)線傳輸電纜時(shí)，由于長(zhǎng)線電纜存在的分布電感和分布電容，脈沖電壓將在電機(jī)端產(chǎn)生電壓反射現(xiàn)象[2]，使電動(dòng)機(jī)端dv/dt加倍，引起電動(dòng)機(jī)端出現(xiàn)過(guò)電壓，加速繞組絕緣老化過(guò)程，造成電動(dòng)機(jī)絕緣損傷，甚至絕緣擊穿，縮短了電動(dòng)機(jī)使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電動(dòng)機(jī)燒毀、電纜爆裂[3]。

為此，需在PWM逆變器的輸出端加裝dv/dt濾波器對(duì)其輸出電壓進(jìn)行濾波，保證變頻調(diào)速裝置供電的電力推進(jìn)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。dv/dt濾波器的設(shè)計(jì)是否合理直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，本文針對(duì)變頻調(diào)速裝置用dv/dt濾波器，在理論分析的基礎(chǔ)上，提出了H橋逆變器、三相全橋逆變器dv/dt濾波器的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法。

1 dv/dt濾波器設(shè)計(jì)分析

1.1 H橋逆變器dv/dt濾波器

圖2中電感、電容和電阻組成一個(gè)二階LCR濾波器，電阻起到阻尼作用[4]，可得該二階電路的傳遞函數(shù)如下所示：

dv/dt濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到電動(dòng)機(jī)繞組絕緣，要求U0的超調(diào)量越小越好。為此，我們選取系統(tǒng)過(guò)阻尼狀態(tài)（即ξ≥1）來(lái)進(jìn)行dv/dt濾波器設(shè)計(jì)。

令Ui為單位階躍響應(yīng)，定義[5]：

T1、T2為阻尼系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，且有T1＞T2，得到二階系統(tǒng)電容上的響應(yīng)為：

電阻上的響應(yīng)為：

可以得到U0的響應(yīng)為：

可得出U0(t)極值表達(dá)式為：

由式（5）可以看出U0(t)的峰值只與阻尼系數(shù)ξ有關(guān)，與ω?zé)o關(guān)。阻尼系數(shù)ξ相同時(shí)，不同的諧振頻率ω對(duì)應(yīng)U0(t)的峰值相同。

從以上的分析，可以得出以下結(jié)論：

1）U0(t)超調(diào)量只與阻尼系數(shù)ξ有關(guān)，與諧振頻率ω值無(wú)關(guān)；

2）阻尼系數(shù)ξ越大，U0(t)超調(diào)量越小。

對(duì)相同的二階系統(tǒng)上升時(shí)間ts而言，諧振頻率ω越小，必然要求dv/dt濾波器的濾波電感和電阻參數(shù)越大，導(dǎo)致濾波器體積越大、成本越高，同時(shí)大濾波電感會(huì)造成基波電壓在電感上的壓降過(guò)大，影響濾波器輸出電壓的波形質(zhì)量。

在濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到濾波器體積、成本等各方面的因素，不能一味追求小的超調(diào)量。

為了有利于dv/dt濾波器設(shè)計(jì)選型標(biāo)準(zhǔn)化，我們選定系統(tǒng)按阻尼系數(shù)ξ=1.4（過(guò)阻尼狀態(tài)）來(lái)進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)。當(dāng)阻尼系數(shù)ξ=1.4時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)量為8.39%。

1.2 全橋逆變器dv/dt濾波器

帶dv/dt濾波器的全橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。事實(shí)上，H橋逆變器dv/dt濾波器設(shè)計(jì)方法同樣適用于全橋逆變器dv/dt濾波器設(shè)計(jì)，以下加以證明。

定義逆變器橋臂開(kāi)關(guān)狀態(tài)為1時(shí)代表上管開(kāi)通、下管關(guān)閉，開(kāi)關(guān)狀態(tài)為0時(shí)代表上管關(guān)閉、下管開(kāi)通。以逆變器三個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)由（1，1，0）變到（1，1，1）為例。此時(shí)A1、B1電位相同，A2、B2電位相同，所以A1、B1實(shí)質(zhì)上可以看作一個(gè)點(diǎn)，A2、B2可以看作是一個(gè)點(diǎn)。dv/dt濾波器等效電路如圖4所示。

從圖4中可以看出全橋逆變器dv/dt濾波器A1、C1之間和B1、C1之間等效電感為L(zhǎng)1=3/2L，等效電容為C1=2/3C，等效電阻為R1=3/2R。

由阻尼系數(shù)公式：

從以上的分析可以看出，按H橋逆變器dv/dt濾波器設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的全橋逆變器dv/dt濾波器，阻尼系數(shù)ξ與諧振頻率ω均與H橋逆變器dv/dt濾波器相同。所以二者系統(tǒng)上升時(shí)間ts、系統(tǒng)超調(diào)量也相同。說(shuō)明H橋逆變器dv/dt濾波器設(shè)計(jì)方法也適用于全橋逆變器dv/dt濾波器設(shè)計(jì)。

dv/dt濾波器在變頻器空載時(shí)，輸出的dv/dt為設(shè)計(jì)要求的dv/dt值。實(shí)際中，變頻器往往帶負(fù)載運(yùn)行，此時(shí)變頻器輸出的dv/dt會(huì)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求值。

2 dv/dt濾波器設(shè)計(jì)方法

根據(jù)以上分析，總結(jié)三相全橋逆變器dv/dt濾波器設(shè)計(jì)方法如下：

1）根據(jù)電機(jī)dv/dt要求值計(jì)算得到二階系統(tǒng)的上升時(shí)間ts；

2）根據(jù)系統(tǒng)上升時(shí)間ts，確定對(duì)應(yīng)的ω值；

3）根據(jù)系統(tǒng)對(duì)器件損耗要求，確定電容C的值；

4）根據(jù)ω、C的值代入公式計(jì)算，得到濾波電感L的值；

5）根據(jù)L、C的值代入公式計(jì)算，得到電阻R的值。

以上dv/dt濾波器是針對(duì)三相全橋逆變器設(shè)計(jì)的，同樣適用于H橋逆變器的dv/dt濾波器設(shè)計(jì)，但實(shí)際中，為了減小共模電壓的影響，H橋逆變器dv/dt濾波器設(shè)計(jì)為兩個(gè)輸出端各接一個(gè)電感（感值均為按以上方法設(shè)計(jì)電感值L的一半），如圖5所示。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

某變頻器輸出電壓為三電平，半直流母線電壓峰值的90%為3000 V，輸出dv/dt要求不大于1000 v/μs，根據(jù)以上設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)步驟如下：

1）二階系統(tǒng)上升時(shí)間ts

上升時(shí)間ts=3000/1000=3 μs

2）諧振頻率ω

根據(jù)系統(tǒng)上升時(shí)間3 μs，確定對(duì)應(yīng)的諧振頻率ω=0.259×106。

3）濾波電感L

為了使濾波電感不至于過(guò)大，此時(shí)濾波電容C選為0.3 μF。濾波電感

4）阻尼電阻R

搭建變頻器仿真模型，對(duì)濾波器有效性進(jìn)行驗(yàn)證。圖6、圖7分別示出了變頻器dv/dt濾波器輸入、輸出線電壓波形，圖8、圖9示出了變頻器空載和帶載時(shí)線電壓?jiǎn)蝹€(gè)脈沖的上升過(guò)程（紅色直線表示峰值的90%），可以看出空載時(shí)脈沖電壓上升時(shí)間要比帶載時(shí)脈沖電壓上升時(shí)間要小得多，說(shuō)明變頻器帶載時(shí)dv/dt會(huì)遠(yuǎn)比空載時(shí)小。

對(duì)該變頻器輸出dv/dt濾波器進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。圖10、圖11示為變頻器帶阻感負(fù)載時(shí)測(cè)試的單個(gè)電壓脈沖波形，電壓脈沖上升時(shí)間分別為6.4 μs、12.8 μs，可見(jiàn)變頻器帶載后輸出電壓脈沖上升時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于dv/dt濾波器設(shè)計(jì)值3 μs。說(shuō)明帶載后輸出線電壓dv/dt的值會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)要求值（dv/dt濾波器空載上升時(shí)間設(shè)計(jì)值為3 μs，輸出線電壓dv/dt小于1000 V/μs），滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

變頻調(diào)速裝置輸出端加裝dv/dt濾波器可以降低推進(jìn)電機(jī)端承受的電壓變化率，保護(hù)電機(jī)絕緣，預(yù)防事故發(fā)生。本文針對(duì)變頻調(diào)速裝置H橋逆變器、三相全橋逆變器兩種拓?fù)湫褪?，提出了dv/dt濾波器詳細(xì)設(shè)計(jì)方法和步驟，給出了設(shè)計(jì)實(shí)例，仿真與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性與有效性，本文提出的dv/dt濾波器設(shè)計(jì)方法具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

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