CN103595334A - 电机拖动系统中长线传播滤波器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电机拖动系统中长线传播滤波器的设计方法，该方法是在逆变器侧采用LCR型滤波器结构降低到达电机端电压的幅值以及相应的dv/dt，以满足电机绝缘的要求，具体包括四个步骤，即：确定输出电感L的大小、确定滤波电阻R的大小、确定滤波电容C的大小、参数修正。本发明针对电机拖动控制中采用长线驱动的工况，为逆变器侧滤波器的设计方法提供了统一理论，可以更完善的指导dv/dt滤波器的设计；采用LCR型的滤波器具有结构简单、成本较低、体积较小、过电压效果抑制明显等特点。

Description

电机拖动系统中长线传播滤波器的设计方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体地，涉及一种电机拖动系统中长线传播滤波器的设计方法，适用于电机拖动控制系统等应用。

背景技术

现代电机控制普遍采用磁链定向的矢量控制技术，基于三相电压源型PWM逆变器（VSI）的拓扑结构来实现高性能的电机拖动控制。但是在很多情况下，逆变器输出需要通过长线电缆来驱动电机，由于电缆阻抗与电机阻抗以及电缆阻抗与逆变器的输出阻抗存在严重的不匹配现象，会导致电压波在传播过程中发生反射，从而使电压波在达到电机端时产生过电压现象，严重的情况下会出现2倍V_dc甚至更高的过电压现象，这将对电机绝缘带来严重的影响；不仅如此，由于开关电压的上升时间很短，过高的dv/dt对电机绝缘带来更严重的考验。因此，需要设计长线传播滤波器来限制电机端的电压变化率，以降低过电压现象对电机绝缘的影响。

经检索发现，在中文核心期刊《电机与控制学报》发表的名称为“一种新颖的用于减小电机终端共模dv/dt的逆变输出滤波器”的文章，提出了一种新颖的用于脉冲宽度调制(PWM)驱动系统的逆变器输出滤波器。此滤波器由可调电感和电容组成,可以有效抑制电机终端的共模dv/dt。这个滤波器的优点是电感的数值可以根据载波频率的大小自动进行调节,从而确保滤波效果不受载波频率变化的影响,同时可以减小不同载波频率下电感上的电压降。这种滤波器的使用将有助于延长轴承寿命,增强PWM驱动系统的可靠性。通过理论分析和仿真结果证明了这种滤波器的有效性。该文提出了一种限制电机共模dv/dt的滤波器设计方案，采用变参数的LC滤波器结构；该方法虽然具有降低损耗，适应载波频率变化的特点，但是这种滤波器结构较为复杂并且不具备产业化的可行性。

在中文核心期刊《电工技术学报》发表的名称为“PWM逆变器输出端共模与差模电压dv/dt滤波器设计”的文章，文中提出PWM逆变器直接驱动电机时会产生较高dv/dt的共模电压,并由此产生轴承电流和共模漏电流以及严重的电磁干扰(EMI)，特别是当逆变器通过长线电缆与电机连接时,由于电缆中分布参数的影响,会在电机端产生电压反射现象,从而在电机端会产生2倍以上的过电压,导致线圈绝缘失败；文中通过对PWM逆变器驱动电机系统产生的共模以及差模电压分析,提出了一种改进型的逆变器端无源滤波器,并给出了参数的设计方法。与传统的滤波器相比,该滤波器可对共模及差模电压dv/dt同时起到抑制作用,从而减小了由此产生的负面效应，实验结果验证了该滤波器的有效性；该文也提供了一种抑制过电压现象的滤波器结构，但是需要将各相滤波器的中性点与电容参考0电位相连，因为实际系统中直流电压的中性点并不能检测与连接，因此该方法只是一种理论上可行的方案。

在期刊《自动化技术与应用》上，名称：“长线传输感应电机系统过电压滤波器的研究”的文章，提出基于反射理论分析了长线电缆传输感应电机系统过电压的原因,通过电缆模型得出了RC滤波器的基本设计方法,然后建立了从PWM逆变电源、电缆到电机的传动系统模型；仿真和实验验证了理论分析的正确性。该文采用在电机侧加装RC滤波器的方法来实现长线传播时的过电压限制，但是在电机端加装滤波器并不方便，具有一定的局限性。

公开号为CN202435036U，申请号为201120570185.1的中国实用新型专利“风力发电机组机侧滤波装置”，该实用新型公开了一种风力发电机组机侧滤波装置，其包括：LCR滤波器和RC滤波器，其中，LCR滤波器连接在变频器侧，RC滤波器连接在发电机转子侧，LCR滤波器与RC滤波器串联；LCR滤波器包括电抗、第一电容和第一电阻，电抗串联在变频器侧，第一电容和第一电阻串联之后再与电抗并联；RC滤波器包括串联的第二电容和第二电阻。但是该专利没有涉及LCR滤波器具体参数的设计过程，缺乏实际指导意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电机拖动系统中长线传播滤波器的设计方法，该方法在逆变器侧采用LCR型滤波器结构，降低了到达电机端电压的幅值以及相应的dv/dt，以满足电机绝缘的要求。

为实现以上目的，本发明提供一种电机拖动系统中长线传播滤波器的设计方法，该方法是在逆变器侧采用LCR型的二阶滤波器来实现过电压限制以及电压上升率的限制，包括如下步骤：

步骤1、确定输出电感L的大小

输出电感L一方面减少电流上升率，一方面跟滤波电容C构成二阶系统来延长电压脉冲上升沿的上升时间，输出电感L的大小按照线路阻抗的0.2p.u.进行选择，公式如下：

$L=\frac{{0.2U}_e}{2\mathrm{\π}{\mathrm{fI}}_e}$

式中：U_e为电机额定相电压；

      I_e为电机额定工作电流；

      f为额定工作频率；

步骤2、确定滤波电阻R的大小

滤波电阻R的选择与电缆阻抗相当，即采用如下公式得到：

${R=Z}_C=\sqrt{\frac{L_C}{C_C}}$

其中：Z_c为电缆特征阻抗；

      L_c为电缆单位长度杂散电感参数；

      C_c为电缆单位长度杂散电容参数；

步骤3、确定滤波电容C的大小

通过选择滤波电容C的参数来设置脉冲上升沿的上升时间，通过如下公式计算：

将LCR滤波器构成的系统看做带零点的二阶系统，表达式为：

$x\left(s\right)=\frac{{{\mathrm{\ω}}_n}^2(s+z)}{\mathrm{sz}(s^2+2{\mathrm{\ζ\ω}}_n+{{\mathrm{\ω}}_n}^2)}$

其中：s为微分算子，z表示系统零点；

其特征方程为：s²+2ζω_n+ω_n ²＝0

设： $\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_d=\arctan (\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}/\mathrm{\ζ})\\ \mathrm{\ψ}=-\mathrm{\π}+\arctan [{\mathrm{\ω}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}/(z-{\mathrm{\ζ\ω}}_n)]+\arctan (\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}/\mathrm{\ζ})\end{array}$

由上述特性得到系统的阻尼比、特征频率、上升时间如下：

$\mathrm{\ζ}=\frac{R}{2}\sqrt{\frac{C}{L}}$

${\mathrm{\ω}}_n=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}$

$t_r=\frac{{\mathrm{\β}}_d-\mathrm{\ψ}}{{\mathrm{\ω}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}}$

通过上述特性的设置得到满足需要的滤波电容C的大小；

步骤4、参数修正

根据实验效果进行参数修正，考虑因素包括滤波器损耗大小、电机侧过电压高低、电压变化率大小、滤波器成本大小。

本发明的应用原理：

首先，电压反射现象是由于阻抗不匹配导致的，过电压的高低与反射系数有关；逆变器通过长线驱动电机，阻抗不匹配将发生在电缆与电机以及电缆与逆变器之间；具体的：

电机与电缆之间的反射系数为Γ_M，通过下式求解：

${\mathrm{\Γ}}_M=\frac{Z_L-Z_C}{Z_L+Z_C}$

其中：Z_L表示电机端负载阻抗；

Z_C表示电缆特性阻抗，

L_C、C_C表示电缆杂散电感与杂散电容参数；

长线传播过程中，由于电机阻抗相对于电缆特征阻抗一般有数量级的差别，Γ_M严重时接近于1；

电缆与变换器之间的反射系数为Γ_S，表示为：

${\mathrm{\Γ}}_S=\frac{Z_S-Z_C}{Z_S+Z_C}$

其中：Z_S表示逆变器负载阻抗，由DC_link电容阻抗确定，由于Z_S一般较Z_C小很多，因此Γ_S一般可以取-1。

从电压反射理论可以发现，当电压波由逆变器经过电缆传播到电机端时，会产生电压正反射，而反射波返回到逆变器时会产生电压负反射，由此可以推论，如果在上升时间内负电压波传播至电机端，则机端过电压现象会有所改善；关系如下：

$V_{\mathrm{LLp}}=\frac{2\&times;L_C\&times;V_{\mathrm{dc}}\&times;{\mathrm{\&Gamma;}}_M}{v\&times;t_r}+V_{\mathrm{dc}},\mathrm{for}{t}_t<\frac{t_r}{2}$

$V_{\mathrm{LLp}}=V_{\mathrm{dc}}\&times;{\mathrm{\&Gamma;}}_M+V_{\mathrm{dc}},\mathrm{for}{t}_t\&GreaterEqual;\frac{t_r}{2}$

其中：V_LLp表示电机端线电压峰值；

      l_C表示电缆长度；

V_dc表示直流侧电压；

v表示电压波在电缆中的传播速度，

t_r表示PWM脉冲上升时间；

t_t表示电压波在该长度的电缆中传播一次所需要的时间，即

通过上述公式可以发现，当上升时间t_r大于2倍的t_t时，电机端线电压峰值将随t_r的增大而减少，可见过电压现象与PWM脉冲的上升时间直接相关。对于一个系统，由于其电缆长度及参数、线路反射系数等都是确定的，因此要改变过电压现象或者单纯的降低端电压的电压变化率，可以通过采用逆变器输出滤波器来增大电压PWM脉冲的上升时间来实现。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)针对电机拖动控制中采用长线驱动的工况，为逆变器侧滤波器的设计方法提供了统一理论，可以更完善的指导dv/dt滤波器的设计；

(2)采用LCR型的滤波器具有结构简单、成本较低、体积较小，过电压效果抑制明显等特点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中长线传播滤波器拓扑结构图；

图2为本发明一实施例中长线传播滤波器四柱型三相电抗器的结构图；

图3a、图3b为长电缆在加装滤波器前后的机端电压差别示意图；

图4a、图4b为图3a、图3b的细节描述图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本实施例提供一种电机拖动系统中长线传播滤波器的设计方法，如图1所示，该方法在逆变器侧采用LCR型的二阶滤波器实现过电压限制以及电压上升率的限制。如图1所示，LCR型的二阶滤波器中电抗器采用具有共模通路的四柱型三相电抗器，与常规滤波器相比，该类型电抗器结构如下：包含一个上铁轭、三个绕有线圈并对称排列的铁芯柱、一个下铁轭与一个未绕线圈的边柱。这种结构与常规电抗器的差别在于增加边柱可以为共模回路提供等同于本身电感值三分之一的感抗，可以更好地抑制共模电流。

本实施例的长线传播滤波器设计方案由下面步骤实现：

步骤1：确定输出电感L的大小

输出电感L的作用一方面是减少电流上升率，一方面跟滤波电容C构成二阶系统来延长电压脉冲上升沿的上升时间，输出电感L的大小按照线路阻抗的0.2p.u.左右进行选择，公式如下：

$L=\frac{{0.2U}_e}{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fI}}_e}$

式中：U_e为电机额定相电压；

      I_e为电机额定工作电流；

      f为额定工作频率；

步骤2：确定滤波电阻R的大小

滤波电阻R的作用主要是进行阻抗匹配，抑制电压的反射现象，滤波电阻R的选择与电缆阻抗相当，即采用如下公式得到：

${R=Z}_C=\sqrt{\frac{L_C}{C_C}}$

其中：Z_c为电缆特征阻抗；

      L_c为电缆单位长度杂散电感参数；

      C_c为电缆单位长度杂散电容参数。

步骤3：确定滤波电容C的大小

通过选择滤波电容C的参数来设置脉冲上升沿的上升时间，具体方法通过如下公式计算：

将LCR滤波器构成的系统看做带零点的二阶系统，表达式为：

$x\left(s\right)=\frac{{{\mathrm{\&omega;}}_n}^2(s+z)}{\mathrm{sz}(s^2+2{\mathrm{\&zeta;\&omega;}}_n+{{\mathrm{\&omega;}}_n}^2)}$

其特征方程为：s²+2ζω_n+ω_n ²＝0

可设： $\begin{array}{c}{\mathrm{\&beta;}}_d=\arctan (\sqrt{1-{\mathrm{\&zeta;}}^2}/\mathrm{\&zeta;})\\ \mathrm{\&psi;}=-\mathrm{\&pi;}+\arctan [{\mathrm{\&omega;}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\&zeta;}}^2}/(z-{\mathrm{\&zeta;\&omega;}}_n)]+\arctan (\sqrt{1-{\mathrm{\&zeta;}}^2}/\mathrm{\&zeta;})\end{array}$

由上述特性得到系统的阻尼比、特征频率、上升时间如下：

$\mathrm{\&zeta;}=\frac{R}{2}\sqrt{\frac{C}{L}}$

${\mathrm{\&omega;}}_n=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}$

$t_r=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_d-\mathrm{\&psi;}}{{\mathrm{\&omega;}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\&zeta;}}^2}}$

通过上述特性的设置，即得到满足需要的滤波电容C的大小。

步骤4：参数修正

根据设置的滤波器参数进行实验得到过电压现象的抑制效果，其抑制效果跟很多因素有关，如电阻损耗大小、过电压高低、电压变化率大小、成本大小；上述选择方案是按限制过电压大小设计的，如果考虑减少滤波器带来的有功损耗，可以通过减少滤波电容C的大小来实现，但是这样会使过电压抑制效果降低；滤波器参数的选取是一个综合考虑的折中，需要根据实际情况与设计目标进行多方面的参数修正以达到满意的结果。

如图3a所示，为加装滤波器之前的机端线电压，额定值1100V，通过长线电缆后为1600V；如图3b所示,为经过滤波器以后的机端线电压，可以将过电压限制在1250V以下。

如图4a、图4b所示，通过增加LCR滤波器，不但过电压幅值得到适当限制，电压上升时间也得到延长，从而使电机端的dv/dt得到更好的抑制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种电机拖动系统中长线传播滤波器的设计方法，其特征在于，该方法是在逆变器侧采用LCR型的二阶滤波器来实现过电压限制以及电压上升率的限制，包括以下步骤：

步骤1、确定输出电感L的大小

输出电感L一方面减少电流上升率，一方面跟滤波电容C构成二阶系统来延长电压脉冲上升沿的上升时间，输出电感L的大小按照线路阻抗的0.2p.u.进行选择，公式如下：

$L=\frac{{0.2U}_e}{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fI}}_e}$

式中：U_e为电机额定相电压；

      I_e为电机额定工作电流；

      f为额定工作频率；

步骤2、确定滤波电阻R的大小

滤波电阻R的选择与电缆阻抗相当，即采用如下公式得到：

${R=Z}_C=\sqrt{\frac{L_C}{C_C}}$

其中：Z_c为电缆特征阻抗；

      L_c为电缆单位长度杂散电感参数；

      C_c为电缆单位长度杂散电容参数；

步骤3、确定滤波电容C的大小

通过选择滤波电容C的参数来设置脉冲上升沿的上升时间，通过如下公式计算：

将LCR滤波器构成的系统看做带零点的二阶系统，表达式为：

$x\left(s\right)=\frac{{{\mathrm{\&omega;}}_n}^2(s+z)}{\mathrm{sz}(s^2+2{\mathrm{\&zeta;\&omega;}}_n+{{\mathrm{\&omega;}}_n}^2)}$

其中：s为微分算子，z表示系统零点；

其特征方程为：s²+2ζω_n+ω_n ²＝0

设： $\begin{array}{c}{\mathrm{\&beta;}}_d=\arctan (\sqrt{1-{\mathrm{\&zeta;}}^2}/\mathrm{\&zeta;})\\ \mathrm{\&psi;}=-\mathrm{\&pi;}+\arctan [{\mathrm{\&omega;}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\&zeta;}}^2}/(z-{\mathrm{\&zeta;\&omega;}}_n)]+\arctan (\sqrt{1-{\mathrm{\&zeta;}}^2}/\mathrm{\&zeta;})\end{array}$

由上述特性得到系统的阻尼比、特征频率、上升时间如下：

$\mathrm{\&zeta;}=\frac{R}{2}\sqrt{\frac{C}{L}}$

${\mathrm{\&omega;}}_n=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}$

$t_r=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_d-\mathrm{\&psi;}}{{\mathrm{\&omega;}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\&zeta;}}^2}}$

通过上述特性的设置得到满足需要的滤波电容C的大小；

步骤4、参数修正，即根据实验效果进行参数修正。

2.根据权利要求1所述的一种电机拖动系统中长线传播滤波器的设计方法，其特征在于，所述参数修正，考虑因素包括滤波器损耗大小、电机侧过电压高低、电压变化率大小、滤波器成本大小。

3.根据权利要求1所述的一种电机拖动系统中长线传播滤波器的设计方法，其特征在于，所述LCR型的二阶滤波器中电抗器采用具有共模通路的四柱型三相电抗器，该类型电抗器结构如下：包含一个上铁轭、三个绕有线圈并对称排列的铁芯柱、一个下铁轭与一个未绕线圈的边柱，这种结构提供增加边柱可以为共模回路提供等同于本身电感值三分之一的感抗，更好地抑制共模电流。

Images