濾波器對(duì)PWM變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)端子上電壓波形的影響分析

1引言

隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，變頻器(或逆變器)的性能也得到飛躍性的提高，并越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常工作的許多領(lǐng)域之中。但是，變頻器輸出的具有陡上升沿或下降沿的脈沖電壓卻在電動(dòng)機(jī)接線端子及繞組上產(chǎn)生了過(guò)電壓，造成電動(dòng)機(jī)繞組絕緣的過(guò)早破壞。試驗(yàn)研究表明，很高的電壓上升率(dv/dt)在電動(dòng)機(jī)繞組上產(chǎn)生極不均勻的電壓分布，且隨著變頻器與電動(dòng)機(jī)之間電纜(線)長(zhǎng)度的增加，在電動(dòng)機(jī)接線端子上產(chǎn)生高頻振蕩的過(guò)電壓，當(dāng)電纜長(zhǎng)度超過(guò)某一臨界值后，電動(dòng)機(jī)端子上過(guò)電壓的幅值達(dá)到變頻器輸出電壓的2倍，長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)性的電壓應(yīng)力的作用將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)繞組匝間絕緣的過(guò)早破壞。

為了降低電動(dòng)機(jī)端子上高頻振蕩的過(guò)電壓，最適宜的方法之一是在電動(dòng)機(jī)端子上安裝特殊設(shè)計(jì)的濾波器。濾波器的參數(shù)與變頻器特性及電纜參數(shù)有關(guān)，然而變頻器、電纜及電機(jī)一般都不是同一制造商或銷售商提供，變頻器的開關(guān)特性、電纜參數(shù)及長(zhǎng)度的不確定性，使得濾波器的參數(shù)選擇具有不固定性。關(guān)于濾波器的參數(shù)與電機(jī)端電壓或電流特性的關(guān)系，目前還未有系統(tǒng)研究的報(bào)道。本文主要研究在不同電纜長(zhǎng)度下，濾波器的參數(shù)對(duì)電機(jī)端電壓特性的影響，確定電纜長(zhǎng)度、濾波器的電阻和電容與電機(jī)端子過(guò)電壓幅值及脈沖上升沿時(shí)間的關(guān)系，找出濾波器參數(shù)的選擇范圍，為變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制造和使用提供試驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

2試驗(yàn)研究及分析

PWM變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，造成電機(jī)端子產(chǎn)生高頻振蕩過(guò)電壓的原因，用傳輸線理論可以很好地解釋，并且通過(guò)試驗(yàn)研究也進(jìn)一步得到證實(shí)，它是造成電機(jī)絕緣過(guò)早破壞的原因之一，因此為了延長(zhǎng)電機(jī)壽命，除了提高電機(jī)自身的絕緣水平外，還必須盡最大可能抑制過(guò)電壓的浪涌沖擊。

2?1濾波器與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的等值電路

在電動(dòng)機(jī)端子上安裝阻抗匹配器可以很大程度地消弱過(guò)電壓，最簡(jiǎn)單的是并聯(lián)一個(gè)與電纜的波阻抗接近的電阻，但由于電纜(線)的波阻抗很小，一般為10Ω～500Ω，故并聯(lián)電阻上的功耗很大，達(dá)到數(shù)百至數(shù)千瓦，因此一般不采用純電阻匹配器，通常都采用一階RC低通濾波器。

無(wú)源低通一階阻尼濾波器是電阻和電容串聯(lián)后并接在電機(jī)接線端子相—相上，根據(jù)傳輸線一次波過(guò)程的彼得遜(Petersen)規(guī)則，濾波器與變頻器、電纜和電機(jī)組成了如圖1所示的等值電路，其中2US為等值電源電壓，US即為變頻器輸出電壓，Z0為等值電纜波阻抗，Zm為電機(jī)繞組波阻抗，Rf為濾波器電阻，Cf為濾波器電容。

圖1一次波過(guò)程的等值電路

圖2電動(dòng)機(jī)端子上電壓上升沿波形與濾波器電容Cf和電阻Rf的關(guān)系

(a)Cf=0.08μF(b)Cf=0.02μF

(c）Cf=0.005μF(d)Cf=0.001μF

以前研究中已經(jīng)證實(shí)，在通用PWM驅(qū)動(dòng)變頻器的載波頻率(600Hz～15kHz)下，平均脈沖寬度在數(shù)十微秒以上，而由波過(guò)程產(chǎn)生的高頻振蕩過(guò)程一般約需十幾微秒，因此在分析PWM變頻器輸出的連續(xù)脈沖波的波過(guò)程時(shí)，可用一個(gè)階躍波的波過(guò)程來(lái)表示。

電纜的波阻抗Zc可通過(guò)測(cè)量單位長(zhǎng)度的電容C0和電感L0來(lái)求得。本文采用低壓三相PVC絕緣護(hù)套電纜線，測(cè)得相—相間C0約為7?6×10－11F/m，L0約為6?5×10－7H／m，從而根據(jù)Zc=(L0/C0)1／2求得Zc約為92Ω。這里考慮電源有很小的內(nèi)阻抗，因此對(duì)圖1中的等值電纜波阻抗Z0可近似取為100Ω。電動(dòng)機(jī)由于是電感性負(fù)載，其波阻抗Zm遠(yuǎn)大于電纜的波阻抗。 

2?2濾波器的參數(shù)對(duì)端子上電壓波形的影響

對(duì)于陡上升沿的電壓波來(lái)說(shuō)，濾波器的電容Cf可認(rèn)為是零波阻抗，相當(dāng)于短路，如果取濾波器電阻Rf的阻值與電纜的波阻抗相等，而電動(dòng)機(jī)的波阻抗又遠(yuǎn)大于Rf，則負(fù)載阻抗近似為Rf，這樣一來(lái)，電纜末端的負(fù)載阻抗與電纜的波阻抗相匹配，在電動(dòng)機(jī)端子上就不會(huì)產(chǎn)生電壓波的全反射，也就不會(huì)形成過(guò)電壓。

然而濾波器的電容該如何確定?原理上其電容值越大，對(duì)阻抗的匹配性就越好，過(guò)電壓就越小。但是，隨著電容值的增大，電阻上的功耗就增加，因?yàn)樵谶B續(xù)矩形脈沖電壓下，濾波器電阻的總功耗P可近似表示為P=3CfUo2fs（1)

式中fs為變頻器的載波頻率，對(duì)于普通型變頻器約為600Hz～5kHz，低噪音型變頻器約為8kHz～15kHz，而對(duì)于特殊的變頻器可達(dá)到20kHz。如取Uo為400V，Cf取為0?1μF，fs分別取為1kHz和10kHz，則根據(jù)式(1)求得電阻上的總功耗分別為48W和480W，隨著電阻功耗的增大，濾波器元件的尺寸也相應(yīng)增大，因此在小型變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)應(yīng)用中，就不能不考慮功耗這一因素。

實(shí)際應(yīng)用中，如果對(duì)濾波器不能進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，就不能達(dá)到滿意的匹配效果，這就是說(shuō)濾波器的失匹配程度將影響對(duì)電動(dòng)機(jī)端子上過(guò)電壓的抑制效果，本文在不同的電纜長(zhǎng)度(30m、45m和75m)下，電阻Rf分別取75Ω、100Ω、150Ω和350Ω，及電容Cf取為0?001μF～0?16μF，分別測(cè)量了電動(dòng)機(jī)端子上電壓的波形、上升沿過(guò)電壓幅值，以及上升時(shí)間的變化。

圖2所示的是電動(dòng)機(jī)端子上相—相電壓上升沿的波形與濾波器電阻的關(guān)系，其中電纜長(zhǎng)度為45m，濾波器電容分別為0?08μF、0?02μF、0?005μF和0?001μF。

從圖2中可以看出，當(dāng)濾波器電阻近似等于或小于100Ω時(shí)，濾波器的電容對(duì)高頻振蕩的幅度及波形有顯著的影響，隨著濾波器電容的減小，高頻振蕩的幅值增大，濾波效果變差。而當(dāng)濾波器電阻遠(yuǎn)大于100Ω時(shí)，濾波器的電容對(duì)振蕩的幅值及波形的影響很小。

圖4電動(dòng)機(jī)端子上電壓上升沿時(shí)間與濾波器電阻及電容的關(guān)系

圖3電動(dòng)機(jī)端子上過(guò)電壓倍率(Ump／Ums)與濾波器電阻Rf及電容Cf的關(guān)系

為了更進(jìn)一步地研究濾波器的電阻和電容與電動(dòng)機(jī)端子上電壓特性的關(guān)系，下面將分別測(cè)量不同濾波器的電阻和電容下，電動(dòng)機(jī)端子上電壓上升沿過(guò)電壓倍率及電壓上升時(shí)間。

2?3濾波器的參數(shù)與端子上過(guò)電壓的關(guān)系

按照上述方法，在電纜長(zhǎng)度分別為30m和75m時(shí)，在不同的濾波器電阻及電容下，測(cè)取電動(dòng)機(jī)端子上電壓上升沿的波形，從而得到電動(dòng)機(jī)端子上電壓上升沿過(guò)電壓倍率與濾波器電阻及電容的關(guān)系曲線，如圖3所示，其中過(guò)電壓倍率為上升沿的電壓峰值Ump與穩(wěn)態(tài)值Ums(即近似等于變頻器輸出電壓幅值)之比。

從圖3中可以清楚地看出：濾波器的電容值Cf越大，濾波器的電阻值Rf越小，則過(guò)電壓的倍率就越?。涣硗?，電纜長(zhǎng)度L越長(zhǎng)，過(guò)電壓倍率也相應(yīng)略增大。這樣看來(lái)，當(dāng)電纜長(zhǎng)度為75m時(shí)，如Cf大于0?02μF，Rf小于150Ω，過(guò)電壓的倍率將不超過(guò)1?2。2?4濾波器的參數(shù)與端子上電壓上升沿時(shí)間的關(guān)系

同樣，在電纜長(zhǎng)度分別為30m和75m時(shí)，在不同的濾波器電阻及電容下，測(cè)取電動(dòng)機(jī)端子上電壓上升沿的波形，從而得到電動(dòng)機(jī)端子上電壓上升沿時(shí)間與濾波器電阻及電容的關(guān)系曲線，如圖4所示。

從圖4中可以清楚地看出：濾波器的電阻值Rf越小，上升沿時(shí)間tr就越大，且隨濾波器的電容值Cf的增大而增加，并當(dāng)Cf超過(guò)0?01μF后，tr趨于飽和；當(dāng)Rf大于150Ω時(shí)，上升沿時(shí)間與電容值幾乎無(wú)關(guān)；另外，電纜長(zhǎng)度L越長(zhǎng)，上升沿時(shí)間也相應(yīng)增大。這樣看來(lái)，當(dāng)電纜長(zhǎng)度為75m時(shí)，如Cf大于0?01μF，Rf為100Ω，則上升沿時(shí)間超過(guò)0?9μs，它是濾波前(約0?45μs)的2倍。

2?5濾波器的Rf和Cf的選擇

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，濾波器電阻值Rf越小，電容值Cf越大，電纜長(zhǎng)度L越短，則電動(dòng)機(jī)端子上過(guò)電壓的倍率就越小。而且Rf越小，Cf越大，上升沿時(shí)間就越大，即電壓上升率(dv/dt)也就越小。如果電纜的長(zhǎng)度約為75m，取濾波器的電容值Cf為0?02μF，Rf近似取為100Ω，則電動(dòng)機(jī)端子上過(guò)電壓的倍率從濾波前的1?8減小到1?2，上升沿時(shí)間從濾波前的0?45μs增大到0?9μs，則電壓上升率減小到濾波前1/3，這有利于減弱過(guò)電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣的破壞。

3結(jié)語(yǔ)

用RC一階阻尼濾波器可以很好地抑制變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)端子上高頻振蕩的過(guò)電壓，濾波器的電阻值越小，電容值越大，則過(guò)電壓幅值就越小。當(dāng)濾波器的電容大于一定值(如0?02μF)后，過(guò)電壓幅值隨濾波器電阻值的減小而減小，并在電阻值等于或小于電纜的波阻抗時(shí)趨于電源電壓值，且隨電纜長(zhǎng)度的增加而略有增加，而上升沿時(shí)間隨濾波器電阻值的減小而增加，并隨電纜長(zhǎng)度的增加而增加。考慮到濾波器的功耗，電容值不宜很大，應(yīng)低于0?1μF。