CN102694457A

CN102694457A - 变频器输出dvdt滤波器

Info

Publication number: CN102694457A
Application number: CN2011100673830A
Authority: CN
Inventors: 季平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-21
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2012-09-26

Abstract

本发明属于电力系统技术领域，具体是一种变频器输出DVDT滤波器。使用变频器输出的PWM脉冲驱动电机对电机进行调速存在着一些负面影响：变频器输出的PWM脉冲电压的DVDT很大，即PWM脉冲边沿的斜率很大，当变频器与电机之间通过长电缆传输时，由于长电缆存在分布电感和分布电容的影响，在电机端发生电压反射现象，以致在电机端出现上升沿具有尖峰的电压，导致电机端电压峰值增加，从而使电机绕组绝缘加速老化绝缘击穿，也会导致电机轴承加速损坏，使用变频器输出DVDT滤波器是降低PWM脉冲所造成的这些危害之既简单有效而又成本较低的方法。变频器输出DVDT滤波器也适用于交流逆变器等同样输出PWM脉冲的设备。

Description

变频器输出DVDT滤波器

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体是一种变频器输出DVDT滤波器。

背景技术

DVDT，即dv/dt，电压对时间的微分，用于描述脉冲电压在跳变处的斜率，电气工程里约定俗成写成DVDT，也有写成DUDT或du/dt的。

使用变频器调速是一种效益高、应用广泛的电力控制技术，变频调速是利用PWM变频技术，输出PWM脉冲对电机进行调速；目前变频器调速已经广泛应用于工业、农业、国防等各种行业，而且具有越来越普及之势。

然而，使用变频器输出的PWM脉冲驱动电机对电机进行调速也存在着一些负面影响：变频器输出的PWM脉冲电压的DVDT很大，即PWM脉冲边沿的斜率很大；当由于安装布局位置等关系，变频器与电机之间通过长电缆传输时，电缆超过临界长度，即脉冲在电缆中的传输时间超过脉冲上升时间的一半，由于长电缆存在分布电感和分布电容的影响，在电机端发生电压反射现象，在电机端出现上升沿具有尖峰的电压，导致电机端电压峰值增加，从而使电机绕组绝缘加速老化，甚至绝缘击穿；同时变频器输出的共模电压在电机转子轴上感应轴电流，PWM脉冲尖峰电压使感应轴电流加大，导致电机轴承加速损坏，这些都将影响电机的使用寿命甚至损坏电机。此外，变频器产生的谐波对电网、电机及周围的电子设备会产生不良影响，而PWM脉冲尖峰电压使谐波大大增加。

随着变频器的应用越来越普及，变频器输出的PWM脉冲所造成的危害也越来越大，但由于体积、重量、效率、发热量以及成本等原因，变频器生产厂家并不能解决这个问题，因此发明一种降低PWM脉冲电压的DVDT以降低PWM脉冲在电机端的尖峰电压、减少PWM脉冲所造成危害的变频器输出DVDT滤波器迫在眉睫。

使用变频器输出DVDT滤波器是解决变频器输出的PWM脉冲，在经长电缆传输所产生的尖峰电压造成的危害之既简单有效而又成本较低的方法。变频器输出DVDT滤波器也适用于交流逆变器等同样输出PWM脉冲的设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变频器输出DVDT滤波器。

变频器输出的PWM高频电压脉冲经电缆传输至电机端，当电缆较长时，电缆超过临界长度，即脉冲在电缆中的传输时间超过脉冲上升时间的一半，一般超过十几米即为长线电缆，由于长线电缆存在分布电感和分布电容形成的特征阻抗，较电机的输入阻抗小得多，电机的输入阻抗与电缆的特性阻抗不匹配，PWM脉冲波在电缆中传输存在行波，当电缆的波阻抗与电机的等效阻抗不匹配时，变频器输出的较高DVDT的PWM高频电压脉冲在长线电缆上发生反射，在PWM上升沿与下级沿的峰值处产生尖峰电压，在电机绕组上所产生的尖峰电压可达到变频器输出电压的2倍以上，给电机绕组绝缘造成很大压力，将影响电机的使用寿命甚至损坏电机。DVDT越大即PWM脉冲电压的上升或下降时间越短，则在电机端产生的尖峰过电压越高，因此降低PWM脉冲边沿的斜率，即降低PWM脉冲电压的DVDT，是解决变频器输出的PWM脉冲经长电缆传输所造成的危害之最简单有效而又成本较低的方法。

单相DVDT滤波器的电原理图如图6所示，由电感(电力系统称为电抗器)L、电容C、电阻R组成，其中电容C电阻R组成的RC回路，R和C的相互位置可以互换。变频器输出的PWM电压为近似方波的脉冲信号如图1所示，PWM脉冲电压未接DVDT滤波器经长线电缆传输到电机端产生的尖峰电压如图2所示。根据傅里叶级数可知，脉冲边沿的上升斜率由其最高频率分量决定，只要衰减PWM脉冲的高频分量就能有效减少脉冲边沿的上升斜率，即降低DVDT，通过串联在变频器输出端的电感L增加了变频器输出的高频阻抗，电感L电容C组成的二阶低通滤波器使输出电压的高频分量得到很大的抑制，电阻R用以使滤波器得到阻尼避免震荡、并与电缆的特性阻抗相匹配；通过合理选择滤波器的参数，可以使输出电压的高频分量得到很大衰减，有效降低PWM脉冲边沿的斜率，即降低PWM脉冲电压的DVDT，能有效减少PWM波尖峰电压的高度，PWM脉冲电压接DVDT滤波器经长线电缆传输到电机端产生的尖峰电压如图3所示；为了更清楚地观察经DVDT滤波器滤波前后波形的变化，未接DVDT滤波器经长线电缆传输到电机端产生的单个PWM脉冲电压波形如图4所示，接了DVDT滤波器经长线电缆传输到电机端产生的单个PWM脉冲电压波形如图5所示，通过图2图3图4图5特别是图4图5可清楚地看到，接了DVDT滤波器后，变频器输出的PWM脉冲斜率变小了，经长线电缆传输到电机产生的尖峰电压得到了极大的抑制，合理的设计可以使尖峰电压由滤波前的2倍以上降到滤波后的只升高20％左右，从而达到降低变频器输出的PWM脉冲在经长电缆传输所产生的尖峰电压对电机所造成的危害。

由于大功率的变频器几乎都是三相的，图6的单相DVDT滤波器主要用于说明DVDT滤波器的工作原理，在实际中并不常用，变频器输出DVDT滤波器主要指的就是三相DVDT滤波器。变频器输出DVDT滤波器的电原理图如图8所示，它由第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)组成，其中第一电感(L1)的一端为输入端1(U1)，第二电感(L2)的一端为输入端2(V1)，第三电感(L3)的一端为输入端3(W1)；第一电感(L1)的另一端接第一电容(C1)的一端并作为滤波器的输出端1(U2)，第二电感(L2)的另一端接第二电容(C2)的一端并作为滤波器的输出端2(V2)，第三电感(L3)的另一端接第三电容(C3)的一端并作为滤波器的输出端3(W3)；第一电容(C1)的另一端接第一电阻(R1)的一端，第二电容(C2)的另一端接第二电阻(R2)的一端，第三电容(C3)的另一端接第三电阻(R3)的一端；第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)的另一端均接到一个公共端(N)。由于RC回路的位置可以互换，第一电容(C1)与第一电阻(R1)的位置可以互换，第二电容(C2)与第二电阻(R2)的位置可以互换，第三电容(C3)与第三电阻(R3)的位置可以互换，如图9所示；此外，由于三相电星接与角接可以互换，图9所示的第一电容(C1)与第一电阻(R1)、第二电容(C2)与第二电阻(R2)、第三电容(C3)与第三电阻(R3)可以由星接换接成角接，其中的一种接法如图10所示。

第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)的公共端(N)可以接三相电的中线如图12应用框图2所示，可以接地如图13应用框图3所示，可以通过电容接到变频器的直流电源处如图14应用框图4所示，也可以不接其它地方只利用三相电的相位差形成一个中点电位如图11应用框图1所示，这几种接法都能有效降低PWM脉冲电压的DVDT，减小尖峰电压，但对共模电流的消除则略有差异，都具有相当的实用价值。图11、图12、图13、图14中的(B)是变频器，(C)是长线电缆，(R)(S)(T)是三相交流电源，(M)是三相交流电机。

三相DVDT滤波器工作原理与单相DVDT滤波器相同，根据傅里叶级数可知，脉冲边沿的上升斜率由其最高频率分量决定，只要衰减PWM脉冲的高频分量就能有效减少脉冲边沿的上升斜率，即降低DVDT，通过串联在变频器输出端的电感L增加了变频器输出的高频阻抗，电感L电容C组成的二阶低通滤波器使输出电压的高频分量得到很大的抑制，电阻R用以使滤波器得到阻尼并与电缆的特性阻抗相匹配，通过合理选择DVDT滤波器的参数，可以有效降低PWV脉冲边沿的斜率，即降低PWM脉冲电压的DVDT，以达到降低变频器输出的PWM脉冲在经长电缆传输所产生的尖峰电压造成的危害。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为变频器输出的PWM脉冲电压信号波形，此波形为相电压波形，也可以把它看成线电压一个周期的正半周；

图2为变频器输出的PWM脉冲电压未接DVDT滤波器经长线电缆传输到电机端产生的尖峰电压波形，在PWM脉冲的上升沿和下降沿产生了尖峰电压，其最大幅值可达PWM脉冲电压的2倍以上；

图3为变频器输出的PWM脉冲电压接了DVDT滤波器经长线电缆传输到电机端产生的尖峰电压得到抑制后的波形，尖峰电压得到了明显改善，可降到原尖峰电压的20％左右；

图4为未接DVDT滤波器经长线电缆传输到电机端产生的单个PWM脉冲电压波形，其尖峰电压很大；

图5为接了DVDT滤波器经长线电缆传输到电机端产生的单个PWM脉冲电压的尖峰电压得到抑制后的波形，上升斜率变小，其尖峰电压明显减小，尖峰电压所包含的能量也变小了；

图6本发明变频器输出DVDT滤波器单相DVDT滤波器原理图；

图7本发明变频器输出DVDT滤波器单相DVDT滤波器应用框图，其中的(B)是变频器，(C)是长线电缆，(V_AC)是单相交流电源，(M)是单相交流电机；

图8本发明变频器输出DVDT滤波器原理图；

图9本发明变频器输出DVDT滤波器RC回路的位置可互换原理图；

图10本发明变频器输出DVDT滤波器电容星接换成角接原理图；

图11本发明变频器输出DVDT滤波器应用框图1，其中的(B)是变频器，(C)是长线电缆，(R)(S)(T)是三相交流电源，(M)是三相交流电机；

图12本发明变频器输出DVDT滤波器应用框图2，其中的(B)是变频器，(C)是长线电缆，(R)(S)(T)是三相交流电源，(M)是三相交流电机；

图13本发明变频器输出DVDT滤波器应用框图3，其中的(B)是变频器，(C)是长线电缆，(R)(S)(T)是三相交流电源，(M)是三相交流电机；

图14本发明变频器输出DVDT滤波器应用框图4，其中的(B)是变频器，(C)是长线电缆，(R)(S)(T)是三相交流电源，(M)是三相交流电机。

具体实施方式

图8本发明变频器输出DVDT滤波器原理图。

本例已知电缆长度为140米，电缆的分布电感为L₀＝1.18UH/M，分布电容为C₀＝50PF/M，希望电机端的尖峰电压峰值小于1.2倍PWM脉冲电压即允许电机端过电压为20％。

设计方法可以采用公式计算：通过电压反射理论，电机端电压峰值与电缆长度、电压脉冲上升时间以及电机端电压反射系数之间的关系为V_peak＝3L_cV_dГ_L/vt_r+V_d---(公式一)，式中V_peak--电机端电压峰值、L_c-电缆长度；V_d-PWM脉冲电压幅度；v--PWM脉冲传播速度，在电缆中为光速的1/2取1.5*10⁸；t_r-电压脉冲上升时间；Г_L电机端电压反射系数，与电缆特性阻抗有关。当允许电机端过电压为20％时，上升时间与电缆长度和电压反射系数之间的关系为t_r＝15L_cГ_L/v---(公式二)，由傅里叶级数可知，脉冲边沿上升斜率由最高频分量决定，最高频分量得到的周期T应为上升时间的两倍，即T＝2t_r，则可以得到滤波器的截止频率f＝1/2t_r---(公式三)；对于选定的电缆长度和电缆型号，L_c和Г_L已知，由(公式一)可知，通过延长PWM脉冲电压的上升时间t_r，即减少脉冲电压的DVDT即可以达到减少电机端过电压3L_cV_dГ_L/vt_r的目的，在确定DVDT滤波器参数时，电阻值R应与电缆特性阻抗相匹配以便于吸收电压反射的能量，即R＝Z₀＝(L₀/C₀)^1/2---(公式四)，其中L₀为电缆分布电感、C₀为电缆分布电容。

本例中，L_c为140米，Г_L电缆特性由厂家给出为0.9，电缆分布电感L₀＝1.18UH/M，分布电容C₀＝50PF/M，允许电机端过电压为20％。代入(公式二)t_r＝15 L_cГ_L/v＝15*140*0.9/1.5*10⁸＝12.6*10^-6＝12.6微秒，代入(公式三)f＝1/2t_r＝1/2*12.6*10^-6＝0.0397*10⁶≈40*10³(Hz)，取电感(L)为0.15毫亨，则电容(C)依ω²＝1/LC则C＝1/ω²L＝1/(2*3.14*40*10³*2*3.14*40*10³*0.15*10^-3)＝1.04*10^-6，可取电容(C)为0.1微法，再由(公式四)R＝Z₀＝(L₀/C₀)^1/2和已知的L₀＝1.18UH/M、C₀＝50PF/M，可算出R＝Z₀＝(L₀/C₀)^1/2＝(1.18*10^-6/50*10^-12)^1/2＝153欧姆，可取R为150欧姆。

综上计算，本例图8本发明变频器输出DVDT滤波器的参数为：第一电感(L1)第二电感(L2)第三电感(L3)取0.15毫亨，第一电容(C1)第二电容(C2)第三电容(C3)取0.1微法，第一电阻(R1)第二电阻(R2)第三电阻(R3)取150欧姆。

通过本例可知，变频器输出DVDT滤波器所使用的电感和电容都很小，所以使用变频器输出DVDT滤波器是解决变频器输出的PWM脉冲，在经长电缆传输所产生的尖峰电压造成的危害之既简单有效而又成本较低的方法。

Claims

1.变频器输出DVDT滤波器，其特征在于：它由第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)组成，其中第一电感(L1)的一端为输入端1(U1)，第二电感(L2)的一端为输入端2(V1)，第三电感(L3)的一端为输入端3(W1)；第一电感(L1)的另一端接第一电容(C1)的一端并作为滤波器的输出端1(U2)，第二电感(L2)的另一端接第二电容(C2)的一端并作为滤波器的输出端2(V2)，第三电感(L3)的另一端接第三电容(C3)的一端并作为滤波器的输出端3(W3)；第一电容(C1)的另一端接第一电阻(R1)的一端，第二电容(C2)的另一端接第二电阻(R2)的一端，第三电容(C3)的另一端接第三电阻(R3)的一端；第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)的另一端均接到一个公共端(N)。

2.根据权利要求1所述的变频器输出DVDT滤波器，其特征在于：第一电容(C1)与第一电阻(R1)的位置可以互换，第二电容(C2)与第二电阻(R2)的位置可以互换，第三电容(C3)与第三电阻(R3)的位置可以互换。

3.根据权利要求1所述的变频器输出DVDT滤波器，其特征在于：第一电容(C1)与第一电阻(R1)、第二电容(C2)与第二电阻(R2)、第三电容(C3)与第三电阻(R3)可以由星接换接成角接。

4.根据权利要求1所述的变频器输出DVDT滤波器，其特征在于：第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)的公共端(N)可以接三相电的中线，可以接地，可以通过电容接到变频器的直流电源处，也可以不接其它地方只利用三相电的相位差形成一个中点电位。