CN102332808A - 包括差模和共模的逆变器滤波器以及包括该逆变器滤波器的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括差模和共模的逆变器滤波器以及包括该逆变器滤波器的系统。一种逆变器滤波器(100；130；150)用于多个相(204；204′)。逆变器滤波器包含：节点(118)；差模滤波器，对于多个相中的每相，其包括第一端子(123；143；161)、第二端子(126；146；158)、电气连接在第一端子和第二端子之间的电感器(102；102″)、电气连接在电感器和节点之间的第一电容器(108；108′)。逆变器滤波器还包含：设置为接地的第三端子(120)；共模滤波器。共模滤波器包括：电阻器(114)；与电阻器串联电气连接在节点和第三端子之间的第二电容器(116)。

Description

包括差模和共模的逆变器滤波器以及包括该逆变器滤波器的系统
技术领域
所公开的构思一般涉及电气滤波器，更特别地，涉及具有差模和共模滤波器特性的逆变器滤波器。所公开的构思也涉及包括逆变器滤波器的系统。
背景技术
如图1所示，电压源逆变器2使用多种已知的脉冲宽度调制(PWM)控制算法5中的一种来产生三相交流(AC)功率输出4。从直流(DC)功率源6吸取电力，能量被储存到电容器组8。DC功率源6可以是，例如且不限于，6脉冲整流器，其由三相功率源10的AC电抗(未图示)和/或附加在DC功率源6的AC侧12或DC侧14上的电抗器(未图示)缓冲。例如，相对更大的系统可采用12、18、24或更多脉冲连同多脉冲电抗器(未图示)或变压器(未图示)，以消除从三相功率源10吸取的谐波。
电压源逆变器2通过三相输出滤波器18为三相负载16供电。三相负载16的非限制性例子包括感应电动机、永磁电动机、同步电动机、被构造为改变线间输出电路的电压水平的变压器和电阻性负载组。逆变器输出滤波器的两个已知的非限制性例子包括正弦滤波器40(图3所示)和dV/dt滤波器42(图4所示)，其只对电压源逆变器2的线间功率输出4进行滤波。
共模问题出现在低电压系统中，来自包括带有耦合到地G的寄生电容的晶体管的逆变器(例如但不限于，图1的电压源逆变器2)。示例性负载16和它的负荷电力电缆19也具有到地G的寄生电容。这形成了电流的共模或零序回路，该电流就到预期差动三相功率电路的能量或功率传送而言在很大程度上是正交的。例如，在中压可变频率驱动系统中，一些拓扑也具有地电气连接(例如，与三相AC功率电气导体在一起，包括分立的地电气导体被包含在内)，以便使三相功率输出得到接地基准。
典型地，当共模(线对地)的问题出现在可变频率驱动系统中时，添加分立的共模滤波器(例如，图3的共模滤波器44包括三相共模电感器LCM和电容器CCM)以补救0问题。然而，这个分立的共模滤波器44的大小和成本大约等于原始的线间逆变输出滤波器18(图1)、正弦滤波器40(图3)或dV/dt滤波器42(图4)的大小和成本。
参考图2，为了使电力潮流从负载20返回到AC功率源22或从发电机24返回电网26，无源直流(DC)功率源——例如无源整流器(例如，图1的DC功率源6)——被有源整流器(例如但不限于PWM整流器28)所代替。为此目的而采用的相应电力电子电路被典型地称作主动前端(AFE)30。AFE 30——就像电压源逆变器2(图1)——产生方波，并需要在电气连接到AC功率源22或电网26之前通过AFE滤波器32滤波。AFE滤波器32也具有显著的共模电流，该电流从有源整流器——例如PWM整流器28——流到AC功率源22或电网26并返回地34。
图3示出了已知的正弦滤波器40和已知的共模滤波器44。这两种分立元件可代替图1的三相输出滤波器18使用。分立的共模滤波器44也可与图2的AFE滤波器32一起用来减小共模电流。包括Cf的(复数个)电容器可以是个体的(即每相一个)，或者装入Y形配置(未图示)的三端子壳体(未图示)。
图4示出了已知的dV/dt滤波器42，其与图3的正弦滤波器40类似，可以用于图3的共模滤波器44的上游(upstream)。
逆变器滤波器仍有改进的空间。
包括逆变器滤波器的系统仍有进一步改进的空间。
发明内容
这些需求以及其他需求由所公开的构思的实施例满足，其改进了差模逆变器滤波器，以便也提供共模(线对地)滤波器功能。
优选地，采用低成本元件构成到地的电气滤波器，其显著减小共模电流。
根据所公开构思的一个方面，用于多个相的逆变器滤波器包含：节点；差模滤波器，对于所述多个相中的每个相，其包括第一端子、第二端子、电气连接在第一端子和第二端子之间的电感器以及电气连接在电感器和节点之间的第一电容器；被设置为接地的第三端子；共模滤波器，其包括电阻器和与电阻器串联电气连接在节点与第三端子之间的第二电容器。
作为所公开构思的另一个方面，用于具有多个相的功率源的系统包含：电压源逆变器，其被构造为将所述多个相连接(interface)到功率源或从功率源连接到所述多个相，以及从发电机连接多个输入或连接多个输出到负载；滤波器，其包含节点、差模滤波器、被设置为接地的第三端子以及共模滤波器。对于所述多个相中的每个相，差模滤波器包括：电气连接至所述多个相中的相应一相的第一端子，电气连接至所述多个输入中的相应一个或所述多个输出中的相应一个的第二端子，电气连接在第一端子和第二端子之间的电感器，电气连接在电感器和节点之间的第一电容器。共模滤波器包括：电阻器，与电阻器串联电气连接在节点和第三端子之间的第二电容器。
附图说明
结合附图阅读下面对优选实施例的介绍，可获得对所公开构思的充分理解，在附图中：
图1为电压源逆变器、输出滤波器和三相负载的示意性框图；
图2为主动前端滤波器、具有有源整流器的电压源逆变器和电动机或发电机的示意性框图；
图3为正弦滤波器和分立的共模滤波器的示意性框图；
图4为dV/dt滤波器的示意性框图；
图5为根据所公开构思一实施例的具有共模滤波的正弦滤波器的示意性框图；
图6为根据所公开构思另一实施例的具有共模滤波的dV/dt滤波器的示意性框图；
图7为根据所公开构思另一实施例的具有共模滤波的主动前端滤波器的示意性框图；
图8和图9为根据所公开构思的其它实施例的系统的示意性框图。
具体实施方式
在此使用的词语“若干个”表示一个或大于一个的整数个(即，复数个)。
在此使用的词语“电气导体”表示：导线(例如，实芯的；绞合的；绝缘的；非绝缘的)，铜导体，铝导体，适合的金属导体，或允许电流容易地流过的其它适合的材料或物体。
在此使用的，两个或更多部分“连接”或“耦合”在一起的表述表示这些部分直接接合在一起，或是通过一个或多于一个的中间部分接合在一起。另外，在此使用的，两个或更多部分“贴附”的表述表示这些部分直接接合在一起。
在此使用的词语“节点”表示若干个电气导体的电气连接点，或若干个电气元件的电气连接点。
在此使用的词语“端子”表示节点，其被设置为电气连接至多个电气导体或电气装置。
在此使用的词语“连接”表示输入和/或输出。
在此使用的词语“功率源”表示电功率的来源(例如但不限于，逆变器；任何适合的交流功率源)或电网。
在此使用的词语“电网”表示用于分配电力的电气导体的网络，或将多个功率源电气连接至若干个负载的分配网络。
在此使用的词语在两个端子“之间电气连接”表示电气元件装置或设备电气连接到两个端子中的每一个，与若干个其它电气元件串联电气连接并在两个端子中间，或与若干个其它电气元件串联电气连接并电气连接到两个端子中的一个。
尽管结合三相电气滤波器和系统介绍了所公开的构思，但是，所公开的构思可应用于宽广范围内的用于多相的电气滤波器和系统。
实例1
图5示出了具有共模滤波功能的三相正弦滤波器100。例如，在这个电气滤波器100中，共模电流流经三个电感器(Lf)102，104，106的并联组合。共模电流由在三相端子123，124，125上同时上升和下降的相(U，V，W)电压产生，并且是电压源逆变器晶体管(未图示，但参见图1的电压源逆变器2和PWM控制算法5)的脉冲宽度调制的人为现象。作为常规正弦滤波器功能的一部分，电气滤波器100包含三个电容器(Cf)108，110，112。作为共模滤波器功能的一部分，电气滤波器100进一步包括电阻器(Rg)114和电容器(Cg)116的串联组合。电阻器Rg 114和电容器Cg 116的串联组合电气连接在节点118和地端子120之间，节点118电气连接到三个电容器(Cf)108，110，112中的每一个。电气滤波器100将三相端子126，127，128上的相(U1，V1，W1)的滤波后的电压提供给三相负载(未图示，但参见图1的三相负载16)。
图5的逆变器滤波器100用于三个示例性的相U，V，W。电气滤波器100包含：节点118，设为接地的端子120，包括电阻器(Rg)14和电容器(Cg)116的共模滤波器，正弦滤波器。对于三个示例性相U，V，W中的每一个，正弦滤波器包含：第一端子123，124，125；第二端子126，127，128；分别电气连接在第一端子123、124、125和第二端子126、127、128之间的电感器102、104、106；电气连接在相应的电感器102、104、106和节点118之间的电容器108、110、112。
实例2
图6示出了具有共模滤波功能的三相dV/dt滤波器130。电气滤波器130在某种程度上类似于图5的电气滤波器100，除了它还包含与相应的电感器102、104、106并联电气连接的电阻器132、134、136以及与相应的电容器108、110、112串联电气连接的电阻器138、140、142以外。类似于电气滤波器100，电气滤波器130包含三个电感器(Lf)102，104，106的并联组合，而且，作为共模滤波器功能的一部分，还包含电阻器(Rg)114和电容器(Cg)116的串联组合。电阻器Rg 114和电容器Cg 116的串联组合电气连接在节点118和接地端子120之间，其中，节点118电气连接到三个电容器(Cf)108，110，112中的每一个。
图6的逆变器滤波器130用于三个示例性的相U，V，W。该电气滤波器130包含：节点118；被设置为接地的端子120；包括电阻器(Rg)114和电容器(Cg)116的共模滤波器；dV/dt滤波器。对于三个示例性的相U，V，W中的每一个，dV/dt滤波器包含：第一端子143，144，145；第二端子146，147，148；分别电气连接在第一端子143，144，145和第二端子146，147，148之间的电感器102，104，106；电气连接在相应的电感器102，104，106和节点118之间的电容器108，110，112。对于三个示例性的相U，V，W中的每一个，dV/dt滤波器还包含：与相应的电感器102，104，106并联电气连接的电阻器132，134，136；与相应的电容器108，110，112串联电气连接的电阻器138，140，142。
实例3
图7示出了具有共模滤波功能的三相主动前端滤波器150。对于每一个相(A，U，B，V和C，W)，电感由两个电感器(Ls，Lf)102′，102″，104′，104″和106′，106″的串联组合形成，该串联组合分别电气连接在两个端子161，158，162，159和163，160之间。三相端子158，159，160电气连接到或连接自三相功率源或电网(未图示，但可参见图2的三相功率源22或电网26)，其它的三相端子161，162，163电气连接到或连接自有源整流器(未图示，但可参见图2的PWM整流器28)。每个电容器(Cf)108′，110′，112′电气连接在它们的共用节点118和另一个节点152，154，156之间，节点152，154，156分别处于相应的第一电感器(Lf)102″、104″、106″和相应的第二电感器(Ls)102′、104′、106′之间。电容器(Cf)108′，110′，112′和电感器(Ls)102′，104′106′以及电感器(Lf)102″，104″和106″形成了用于电压源逆变器(未图示，但可参见图2的带有PWM整流器28的电压源逆变器)的主动前端滤波器。类似于图5的电气滤波器100，作为共模滤波器功能的一部分，电气滤波器150包含电阻器(Rg)114和电容器(Cg)116的串联组合。电阻器Rg 114和电容器Cg 116的串联组合电气连接在节点118和接地端子120之间，其中，节点118电气连接到三个电容器(Cf)108′，110′，112′中的每一个。
图7的逆变器滤波器150用于三个示例性的相A，B，C或U，V，W。该电气滤波器150包含：节点118；设为接地的端子120；包括电阻器(Rg)114和电容器(Cg)116的共模滤波器；主动前端滤波器。对于三个示例性的相A，B，C或U，V，W中的每一个，主动前端滤波器150包含：第一端子161，162，163；第二端子158，159，160；分别电气连接在第一端子161，162，163和第二端子158，159，160之间的电感器(Ls)102′，104′106′；电气连接在相应的电感器(Lf)102″，104″，106″和节点118之间的电容器108′，110′，112′。对于三个示例性的相A，B，C或U，V，W中的每一个，主动前端滤波器150还包含与第一电感器(Lf)102″，104″和106″串联电气连接在第一端子161，162，163和第二端子158，159和160之间的第二电感器(Ls)102′，104′106′。
实例4
由于大小，重量和成本的优势，示例性三相滤波器100(图5)，130(图6)和150(图7)的每一个中的电感器(Lf或Ls)通常可用三相电抗器来实现。例如，当采用三个个体电感器时，共模电感(Lcm)等于Lf/3。然而，一个具有三个铁芯柱并且在三个铁芯柱上各自绕有线圈的三相电抗器(未图示)便宜许多，并且在电气机柜中占据甚至更小的空间。这种结构固有地具有更小的共模电感。因此，对于三柱铁芯的电抗器，Lcm＜Lf/3。
已经知道如何提高Lcm，特别是在低电压的三相电抗器中，其使得本发明具有实际效果。例如，1.0mH的三相低电压电抗器可典型地具有只有大约50μH(即Lcm＝0.05＊Lf)的共模电感。
具有三个铁芯柱和三个线圈的典型三相电感器提供与任何适合的结构类型的三个个体电感器的电感相同的电感，但只对于平衡的三相正弦电路而言。由于逆变器具有对于所有的三相共同的接地基准电压阶跃(ground-referenced voltage steps)，并且由于任何现实世界的负载均有对地的电容，因此存在一共模电路，其与例如控制电动机速度的预期的差模电路分立。三柱铁芯电抗器结构不具有理论上的共模电感，因为在三铁芯柱中的通量抵消。当然，现实世界的电感器具有漏感，或者，在与支配耦合电感器设计的公式有关的项中，现实世界的线圈之间的磁耦合小于1.0。换句话说，具有电感Lf的每个三相电感器组具有共模电感Lcm，其小于Lf/3且大于零(即，0＜Lcm＜Lf/3)。
电阻器(Rg)114和电容器(Cg)116的选择取决于想要多大共模滤波，Lcm的大小取决于Lf。从每个滤波器输出相到地最容易完成的是dV/dt的减小，使得瞬间峰值不会随着到负载的相对较长的距离而增加。这种“dV/dt减小”移除了频谱的高端部分，例如，其能损坏电动机轴承、引起电缆绝缘的早期失效，并且，在风力发电机系统的AFE滤波器的情况下，停止风电场周围的区域内的AM无线电干扰。
实例5
在低压(即小于1000V的配电电压)电抗器的情况下，0.05＊Lf＜Lcm＜0.07＊Lf。
实例6
对于中压(即大约1kV到大约10kV的配电电压)电抗器的情况下，0.1＊Lf＜Lcm＜0.22＊Lf。
实例7
可以理解的是，图5和图6的相U，V，W以及图7的相A，B，C可以为具有接地的相，或者为没有接地的相。例如，图5示出了(以假想线绘图)三相U，V，W的接地122。
实例8
图8示出了系统200，其包括图5和图6的滤波器100，130中的一个。系统200用于具有多个相204的功率源202。系统200包括电压源逆变器206，其设置为从功率源202连接所述多个相204，以及通过滤波器100，130中的一个将多个输出连接到负载210。
图9示出了系统200′，其包括图7的滤波器150。系统200′用于具有多个相204的功率源202′以及和具有多个相204′的电动机或发电机208。系统200′包括电压源逆变器(带有有源整流器)206′，其设置为将所述多个相204连接到或连接自功率源202′，并且，将多个输入连接自电动机或发电机208或将多个输出连接到电动机208。
可以理解的是，系统200′也可在电压源逆变器(带有有源整流器)206′和电动机208之间使用图5和图6的滤波器100，130中的一个。
实例9
负载210可选自感应电动机、永磁电动机、同步电动机、变压器和电阻性负荷组。
实例10
系统200，200′可以是低压系统、可变频率驱动系统或中压可变频率驱动系统。
实例11
多个相204，204′可以是具有或不具有接地(未图示，但可参见图5的假想线绘图示出的接地122)的三相。
实例12
电压源逆变器206′包括主动前端或有源整流器(未图示，但可参见例如图2的PWM整流器28)。如果电动机或发电机208是电动机，功率源202′可以是电网，主动前端电压源逆变器206′可以进一步设置为使得从电动机到电网的反向功率潮流(例如在制动期间)成为可能。
实例13
主动前端电压源逆变器206′可以设置为使得从发电机208到功率源202′——其在这个例子中是电网——的功率潮流成为可能。
实例14
电压源逆变器206可包括无源整流器(未图示，但可参见图1的DC功率源6)。
尽管已经详细介绍了所公开构思的具体实施例，本领域技术人员将会明了，在本公开的整体启示下，可开发出多种修改和替代。因此，所公开的特定布置仅仅是说明性的，不对所公开的构思的范围进行限制，该范围由所附权利要求及其任意以及全部等价内容的全部广度给出。
附图标记列表
2电压源逆变器
4三相交流(AC)功率输出
5脉冲宽度调制(PWM)控制算法
6直流(DC)功率源
8电容器组
10三相功率源
12AC侧
14DC侧
16三相负载
18三相输出滤波器
19负载电力电缆
20负载
22AC功率源
24发电机
26电网
28PWM整流器
30主动前端(AFE)
32AFE滤波器
34地
40正弦滤波器
42dV/dt滤波器
44分立的共模滤波器
100三相正弦滤波器
102电感器(Lf)
102′电感器(Ls)
102″电感器(Lf)
104电感器(Lf)
104′电感器(Ls)
104″电感器(Lf)
106电感器(Lf)
106′电感器(Ls)
106″电感器(Lf)
108电容器(Cf)
108′电容器(Cf)
110电容器(Cf)
110′电容器(Cf)
112电容器(Cf)
112′电容器(Cf)
114电阻器(Rg)
116电容器(Cg)
118节点
120接地端子
122地
123第一端子
124第一端子
125第一端子
126第二端子
127第二端子
128第二端子
130三相dV/dt滤波器
132电阻器
134电阻器
136电阻器
138电阻器
140电阻器
142电阻器
143第一端子
144第一端子
145第一端子
146第二端子
147第二端子
148第二端子
150三相主动前端滤波器
152节点
154节点
156节点
158第二端子
159第二端子
160第二端子
161第一端子
162第一端子
163第一端子
200系统
200′系统
202功率源
202′功率源
204多个相
204′多个相
206电压源逆变器
206′电压源逆变器(带有有源整流器)
208电动机或发电机
210负载

Claims (15)

1.一种逆变器滤波器(100；130；150)，用于多个相(204；204′)，所述逆变器滤波器包含：
节点(118)；
差模滤波器，对于所述多个相中的每相，其包括：
第一端子(123；143；161)，
第二端子(126；146；158)，
电气连接在第一端子和第二端子之间的电感器(102；102″)，和
电气连接在所述电感器和所述节点之间的第一电容器(108；108′)；
设置为接地的第三端子(120)；和
共模滤波器，包括：
电阻器(114)，和
在所述节点和所述第三端子之间与电阻器串联电气连接的第二电容器(116)。
2.根据权利要求1的逆变器滤波器(100；130)，其中，所述差模滤波器选自正弦滤波器和dV/dt滤波器，且其中，所述第一电容器电气连接在所述第二端子和所述节点之间。
3.根据权利要求1的逆变器滤波器(130)，其中，所述电阻器是第一电阻器(114)；且其中，对于所述多个相的每一相，所述差模滤波器进一步包含与所述电感器并联电气连接的第二电阻器(132)以及与所述第一电容器串联电气连接的第三电阻器(138)。
4.根据权利要求1的逆变器滤波器(100)，其中，所述差模滤波器是正弦滤波器；且其中，所述第一电容器电气连接在所述第二端子和所述节点之间。
5.根据权利要求1的逆变器滤波器(130)，其中，所述差模滤波器是dV/dt滤波器；且其中，所述第一电容器电气连接在所述第二端子和所述节点之间。
6.根据权利要求1的逆变器滤波器(150)，其中，所述差模滤波器是用于电压源逆变器(206′)的主动前端滤波器；其中，所述电感器包括第一电感器(102″)，其与第二电感器(102′)串联电气连接在所述第一端子(161)和所述第二端子(158)之间；且其中，所述第一电容器电气连接在所述节点和所述第一电感器与所述第二电感器之间的另一个节点(152)之间。
7.一种用于功率源(202；208)的系统(200；200′)，其具有多个相(204；204′)，所述系统包含：
电压源逆变器(206；206′)，其设置为将所述多个相连接到或连接自所述功率源，以及从发电机(208)连接多个输入或连接多个输出到负载(210)；以及
权利要求1的所述逆变器滤波器(100；130；150)，
其中，第一端子(123；143；161)电气连接至所述多个相中的相应一相(U)，且
其中，第二端子(126；146；158)电气连接至所述多个输入中的相应一个或所述多个输出中的相应一个。
8.根据权利要求7的系统(200)，其中，所述负载选自感应电动机、永磁电动机、同步电动机、变压器和电阻性负荷组。
9.根据权利要求7的系统(200)，其中，所述差模滤波器是正弦滤波器；且其中，所述第一电容器电气连接在所述第二端子和所述节点之间。
10.根据权利要求7的系统(200)，其中，所述差模滤波器是dV/dt滤波器；且其中，所述第一电容器电气连接在所述第二端子和所述节点之间。
11.根据权利要求7的系统(200′)，其中，所述电压源逆变器(206′)包括主动前端；其中，所述负荷是电动机(208)；其中，所述功率源是电网(202′)；且其中，所述电压源逆变器进一步设置为使得从所述电动机到所述电网的反向功率潮流成为可能。
12.根据权利要求7的系统(200′)，其中，所述电压源逆变器(206′)包括主动前端；其中，所述功率源是电网(202′)；且其中，所述电压源逆变器进一步设置为使得从所述发电机到所述电网的功率潮流成为可能。
13.根据权利要求7的系统(200)，其中，所述电压源逆变器(206)包括无源整流器。
14.根据权利要求7的系统(200′)，其中，所述电压源逆变器(206′)包括有源整流器。
15.根据权利要求7的系统(200′)，其中，所述差模滤波器是用于所述电压源逆变器(206′)的主动前端滤波器；其中，所述电感器包括第一电感器(102″)，其与第二电感器(102′)串联电气连接在所述第一端子(161)和所述第二端子(158)之间；且其中，所述第一电容器电气连接在所述节点和所述第一电感器与所述第二电感器之间的另一个节点(152)之间。
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