LRC濾波器抑制電機端差模電壓干擾及尖峰電壓的應(yīng)用

王清云

【摘 要】變頻器輸出的PWM高頻電壓經(jīng)過長距離動力電纜傳輸后，由于電纜漏電感和耦合電容的作用，在電機端會形成很高的尖峰電壓，破壞電機絕緣，降低電機使用壽命。著重研究了電機端差模電壓及尖峰電壓的抑制技術(shù)，并通過測試驗證，證明其對電機端差模電壓及尖峰電壓有明顯的抑制作用。

【關(guān)鍵詞】變頻器；LRC濾波電路；差模干擾

0 引言

變頻器用于交流電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是理想的調(diào)速方案，具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點，尤其二電平變頻器其電路結(jié)構(gòu)和控制都比較簡單，具有技術(shù)成熟、效率高、動態(tài)性能好、體積小、成本低等優(yōu)點，在軋機、起重機、電力機車牽引及風機、水泵調(diào)速等方面得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，提高了電力電子器件的開關(guān)頻率，也縮短了功率器件的開通和關(guān)斷時間，改善了PWM變流器的性能。然而，開通時間的縮短直接導致了器件承受電壓上升時間的縮短，給電機的絕緣帶來了不良的影響，當電壓的變化率dv/dt較大時，易引起電機繞組絕緣過早損壞，特別是在一些工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，PWM變流器與驅(qū)動電機可能處于不同的位置，需要用較長的電纜進行連接，而長電纜的傳輸會導致PWM脈沖在電機端產(chǎn)生過高電壓，加重了電機繞組絕緣的負擔。

本文在分析較高的電壓變化率dv/dt對電機端電壓影響的基礎(chǔ)上，通過實驗驗證了通過L、R、C參數(shù)的匹配，二階LRC濾波器對電機端差模電壓干擾及尖峰電壓具有很好的抑制作用。

1 變頻器

變頻器是利用電力半導體器件將工頻電源變換成可調(diào)頻率和可調(diào)電壓的交流電源，輸出供給其他設(shè)備使用，它結(jié)合了變頻技術(shù)與微電子等高新技術(shù)，最常用的就是給電機提供電源，實現(xiàn)電機的變頻調(diào)速，由于變頻調(diào)速具有可實現(xiàn)無級調(diào)速、可靠軟啟動、節(jié)能降耗等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于節(jié)能降耗、精度自控及提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量等方面。

2 差模干擾

差模干擾就是線與線之間的干擾，在兩根信號線之間傳輸，干擾幅值相等相位相反，屬于對稱性干擾，差模干擾有時也稱為常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾，這種干擾加載于有用信號上，直接影響測量與控制的精度。

逆變器輸出的高頻電壓脈沖波經(jīng)電纜傳輸至電機側(cè)，電纜具有漏電感與耦合電容，PWM脈沖波在電纜中傳輸時存在行波，當電纜的波阻抗與電機的等效阻抗不匹配時，會在電機端發(fā)生反射現(xiàn)象，因此變頻器輸出的差模電壓通過長電纜傳輸在電機端發(fā)生電壓反射后，會導致電機端電壓峰值增加，從而加重電機繞組絕緣老化，甚至絕緣擊穿。

3 濾波器電路的組成部分

圖1 輸出濾波器原理圖

用在變頻器輸出端的二階LRC濾波器組成部分主要有輸出電抗器、電阻器和吸收電容器，其電路結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

4 濾波器參數(shù)選擇注意事項

4.1 電感L的選擇

濾波電感L的選擇首先要考慮基波在電感上的壓降不能超過一定的范圍，一般要求在3%～5%；其次，電感值的選擇要使諧波電流的有效值在逆變器電流容量的10%～20%，避免逆變器可能由于諧波電流過大而進入保護狀態(tài)。

4.2 電阻R的選擇

當電阻R取值不同時，濾波器的阻尼也不相同：R取值越大，阻尼越大，超調(diào)量越小，但對轉(zhuǎn)折頻率以上高頻分量的濾除效果越差；R取值越小，阻尼越小，超調(diào)量越大，但對轉(zhuǎn)折頻率以上的高頻分量的濾波效果越明顯。

電阻取值過小，濾波器本身輸出的電壓超調(diào)量增大，導致電機端過電壓增大，從而達不到預(yù)期的目的；電阻取值過大，濾波器對轉(zhuǎn)折頻率以上的高頻分量的濾波效果不理想，并不能有效地延長電壓的上升時間，從而還會導致電機端產(chǎn)生較大的電壓尖峰。電阻的選取，需要權(quán)衡濾波器的超調(diào)量和對高頻分量的濾除效果。

另外還應(yīng)采用無感電阻且充分考慮電阻消耗能量的散熱功率問題，保證電阻發(fā)熱在電阻要求的范圍內(nèi)。

4.3 電容C的選擇

在低頻即調(diào)制基波頻率范圍時，容抗大于感抗，此時電容是主要的限流元件。電容值決定電容支路的基波電流，從而影響基波損耗。選擇電容值時要使得空載時流經(jīng)電容支路的基波電流不超過逆變器電流輸出容量的10%。

5 實驗驗證

5.1 實驗設(shè)備

（1）變頻器參數(shù)：

型號：ZBT2-630/1140K

額定功率：630kW 額定電壓：1140V

額定電流：401A 直流母線穩(wěn)壓：1830V

（2）電機參數(shù)：

型號：JS1510-4 額定功率：850kW

額定電壓：1140V 額定電流：512.5A

額定轉(zhuǎn)速：1485r/m 接法：Y

（3）濾波器參數(shù)：

L：0.15mH R：60Ω/3000W C：0.2uF

（4）測試儀器：

TPS2014四通道隔離示波器 1臺

P5100高壓探頭 1根

5.2 實驗步驟

（1）實驗按照圖2進行接線，變頻器輸出接線端到電機接線端電纜長度為50米。

（2）將變頻器的逆變器輸出直接接電機，運行整流器，直流母線電壓穩(wěn)壓至1830V，逆變器帶電機V/F頻率控制方式運行。測試電機端U相和V相之間的線電壓波形如圖3（a），線電壓峰值Uuv-max為2.8kV，電壓上升時間波形如圖3（b），電壓上升時間tr為1.12μs。

（a）電機端UV線電壓波形 （b）電機端UV線電壓上升時間tr

（3）將變頻器輸出端接上輸出濾波器，輸出濾波器輸出端接電機。運行整流器，直流母線電壓穩(wěn)壓至1830V，逆變器帶電機V/F頻率控制方式運行。測試電機端U相和V相之間的線電壓波形如圖4（a），線電壓峰值Uuv-max為2.02kV，電壓上升時間波形如圖4（b），電壓上升時間tr 為6.60μs。

（a）電機端UV線電壓波形 （b）電機端UV線電壓上升時間tr

5.3 實驗結(jié)論

（1）標準要求：《GB/T 22720.1-2008即旋轉(zhuǎn)電機 電壓型變頻器供電的旋轉(zhuǎn)電機Ⅰ型電氣絕緣結(jié)構(gòu)的鑒別和型式試驗》中對基于2電平變頻Ⅰ型絕緣結(jié)構(gòu)應(yīng)力類型分類對尖峰系數(shù)及沖擊上升時間要求：

（2）未接入LRC輸出濾波器時，測試尖峰系數(shù)Up/Udc為2800/1830=1.53，沖擊上升時間為1.12us，應(yīng)力類型高于B—中等；接入LRC輸出濾波器后，測試尖峰系數(shù)Up/Udc為2020/1830=1.10，沖擊上升時間為6.60us，應(yīng)力類型屬于A—溫和，測試效果良好。

6 總結(jié)

本文對變頻器輸出高頻PWM電壓的差模干擾及在電機端產(chǎn)生尖峰電壓的問題進行了討論，提出用LRC濾波電路解決差模干擾及電機端尖峰電壓的方案。介紹了濾波電路中L、R、C參數(shù)選擇的注意事項，并通過對選取的參數(shù)進行實驗測試，測試結(jié)果滿足設(shè)計要求，可以很好的應(yīng)用于變頻器輸出端，有效減小電機端線電壓間的尖峰電壓值，增大電壓沖擊上升時間，減小電壓變化率dv/dt，減弱變頻器輸出的高頻PWM電壓對電機絕緣的影響。

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[責任編輯：湯靜]