CN106788118B - 一种变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路 - Google Patents

一种变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路，包括：变频器，还包括：连接在所述变频器输出端的共模滤波器；其中，所述共模滤波器的电感串联在所述变频器的输出端；所述共模滤波器的两个电阻电容电路的中性点分别连接在所述变频器的直流母线的正负端；本发明通过两个电阻电容电路的中性点分别连接在变频器的直流母线的正负端这种拓扑结构的共模滤波器，可以在不拆开变频器的情况下，对变频器驱动系统电机端的共模电压进行的抑制，具备实际可操作性，并且这种拓扑结构设置的共模滤波器可以对共模电压产生更好的抑制效果，提升了用户体验。此外，本发明还公开了一种变频器驱动系统，同样具有上述有益效果。

Description

一种变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路及变频器驱动系统。
背景技术
随着电力电子技术及控制理论的不断发展，PWM变频器的综合性能得到很大提髙，PWM变频器在工业、能源领域得到了广泛的应用。但是由于采用PWM调制技术，使得变频调速对驱动系统产生许多负面影响。在PWM调制策略下变频器输出存在高频共模电压，该电压在电机寄生电容的耦合作用下，在电机轴上感应出轴电压，继而引发轴电流，造成轴承的电腐蚀，严重危害变频驱动系统的安全运行。当变频器与电机之间采用长线电缆连接时，由于长线电缆存在分布电感与分布电容，将产生电压反射现象，使电机端dv/dt加倍，共模dv/dt加倍可以使上述危害加重；差模dv/dt加倍引起电机端出现过电压，加剧绕组绝缘老化过程。
现有技术中，大多数的变频器都是整体封装的，没有直流母线中性点的接线端子，由于现有的LRC无源滤波器需要把星型连接电阻电容电路的中性点与变频器直流母线中性点连接，如果需要得到该直流母线中性点的参考点，必须把变频器拆开，这样就提高了测试难度，不具备实际可操作性，并且采用传统的滤波器时，共模电压的抑制效果不够明显。因此，如何方便的设置一种可以更好的抑制变频器驱动系统电机端共模电压的滤波器，是现今急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路及变频器驱动系统，以通过共模滤波器的设置，使该抑制电路更好的抑制变频器驱动系统电机端的共模电压，提升了用户体验。
为解决上述技术问题，本发明提供一种变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路，包括：变频器，还包括：连接在所述变频器输出端的共模滤波器；
其中，所述共模滤波器的电感串联在所述变频器的输出端；所述共模滤波器的两个电阻电容电路的中性点分别连接在所述变频器的直流母线的正负端。
可选的，该抑制电路还包括：连接在电机端的差模滤波器；
其中，所述差模滤波器包括并联的三个支路；第一支路为三相二极管整流桥；第二支路为串联的电阻和电容；第三支路为稳压管。
可选的，所述共模滤波器具体为二阶LRC低通滤波器。
可选的，所述二阶LRC低通滤波器的截止频率小于所述变频器的载波频率且大于所述变频器的输出脉冲基波频率。
可选的，所述二阶LRC低通滤波器的电感的取值为使所述变频器的基波电压在所述电感上的压降不大于3％至5％且使高频谐波电流的有效值不大于所述变频器的电流容量的10％至20％的数值。
可选的，所述二阶LRC低通滤波器的电容的取值为使空载运行时，流过电容支路的基波电流不大于所述变频器输出电流容量的10％的数值。
可选的，所述变频器与电机通过长线电缆连接时，所述差模滤波器的电阻为：
其中，R2为所述差模滤波器的电阻，Zl为所述长线电缆的特征阻抗，L0所述长线电缆的分布电感，C0为所述长线电缆的分布电容。
可选的，所述差模滤波器的电容的电压初始值为所述稳压管的反向耐压值
此外，本发明还提供了一种变频器驱动系统，包括：如上述任一项所述的变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路。
本发明所提供的一种变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路，包括：变频器，还包括：连接在所述变频器输出端的共模滤波器；其中，所述共模滤波器的电感串联在所述变频器的输出端；所述共模滤波器的两个电阻电容电路的中性点分别连接在所述变频器的直流母线的正负端；
可见，本发明通过两个电阻电容电路的中性点分别连接在变频器的直流母线的正负端这种拓扑结构的共模滤波器，可以在不拆开变频器的情况下，对变频器驱动系统电机端的共模电压进行的抑制，具备实际可操作性，并且这种拓扑结构设置的共模滤波器可以对共模电压产生更好的抑制效果，提升了用户体验。此外，本发明还提供了一种变频器驱动系统，同样具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路的电路图；
图2为本发明实施例所提供的另一种变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路的电路图；
图3为未使用滤波器时共模电压的展示图；
图4为使用传统的滤波器时共模电压的展示图；
图5为使用本发明实施例送提供的共模滤波器时共模电压的展示图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路的电路图，该抑制电路可以包括：变频器，还可以包括：连接在所述变频器输出端的共模滤波器；
其中，所述共模滤波器的电感串联在所述变频器的输出端；所述共模滤波器的两个电阻电容电路的中性点分别连接在所述变频器的直流母线的正负端。
可以理解的是，共模滤波器在变频器驱动系统的具体设置方式可以如电路图1所示，共模滤波器的三个电感L的输入端分别与所述变频器的三个输出端相连，共模滤波器的三个电感L的输出端分别与电机的三个输入端相连；共模滤波器的一个电容电阻电路中的三个串联的电容C1和电阻R1支路的公共端与变频器的直流母线的正端相连，该电容电阻电路中的三个串联的电容C1和电阻R1支路各自的另一端与不同的一个电感L的输出端相连；共模滤波器的另一个电容电阻电路中的三个串联的电容C1和电阻R1支路的公共端与变频器的直流母线的负端相连，该电容电阻电路中的三个串联的电容C1和电阻R1支路各自的另一端与不同的一个电感L的输出端相连；也可以通过其他的设置方式，只要可以保证共模滤波器的两个电阻电容电路的中性点分别连接在所述变频器的直流母线的正负端，对于具体的连接方式，本实施例不做任何限制。
需要说明的是，由于现有的变频器驱动系统大多选用SPWM调制的变频器，对于采用SPWM调制的变频器，共模滤波器可以由二阶LRC低通滤波器构成，二阶LRC低通滤波器的参数选择主要需要考虑截止频率、滤波电感、滤波电容以及电阻。二阶LRC低通滤波器的参数设置可以通过如下方式：
由于二阶LRC低通滤波器在截止频率以上的衰减可达到-40dB/十倍频程，所以选择二阶LRC低通滤波器的截止频率时，为了达到较好的衰减，截止频率选为变频器的载波频率的十分之一以下。考虑到低频时的相移和电容电流，二阶LRC低通滤波器的截止频率应该高于十倍以上的输出脉冲基波频率，即fm＜fc＜fs(fm、fc、fs分别为基波频率，二阶LRC低通滤波器的截止频率，载波频率)。然而当载波频率很低时，以上两个条件不可能同时满足，则可以由设计人员进行折中的选择，本实施例对此不受任何限制。
二阶LRC低通滤波器的滤波电感的选择首先要考虑到基波在电感上压降不能超过一定的范围。一般情况下，基波电压在电感上的压降不能超过3％至5％。另外就是要考虑在高频时感抗值要远大于容抗值，所以限流高频谐波电流的主要电抗是电感。当二阶RLC低通滤波器的电阻值过大时，二阶RLC低通滤波器的损耗相应增加，所以在设计二阶RLC低通滤波器的限流元件时不应考虑串联电阻。谐波电流的有效值不能过大，一般不能超过变频器电流容量的10％至20％，这可用来约束电感值的选择，否则，变频器可能因为过大的谐波电流而进入保护状态。以上两个条件确定了二阶RLC低通滤波器的电感的取值范围。
在低频时容抗值要远大于感抗值，所以电容是二阶RLC低通滤波器的主要限流元件。电容的取值直接决定了电容支路上的基波电流，进而影响阻尼电阻上的损耗。电容值的选择应满足在空载运行时，流过电容支路的基波电流不能超过逆变器输出电流容量的10％。此外，电感值和电容值还要受到二阶RLC低通滤波器截止频率的限制，这两个同时确定了电容的取值范围。
具体的，以输出基波频率50Hz，变频器载波频率10kHz为例，二阶RLC低通滤波器的截止频率选取为fc＝800Hz，选取滤波电感为L1＝0.82mH，由式(1)可以确定滤波电容：
则滤波电容C1＝47μF，为实现二阶LRC低通滤波器的单位阶跃响应无超调，则阻尼比
计算可得R1≥8.35Ω，二阶LRC低通滤波器的电阻可以选取R1＝10Ω。
通过上述参数的选择，可以变频器驱动系统的共模滤波器。当变频器与电机之间采用长线电缆连接时，由于长线电缆存在分布电感与分布电容，将会产生电压反射现象，针对这采用长线电缆连接变频器与电机出现过电压的现象，可以在变频器驱动系统的电机端连接差模滤波器，以解决这种过电压的情况，进一步提升用户体验。本实施例对此不受任何限制。
本实施例中，本发明实施例通过两个电阻电容电路的中性点分别连接在变频器的直流母线的正负端这种拓扑结构的共模滤波器，可以在不拆开变频器的情况下，对变频器驱动系统电机端的共模电压进行的抑制，具备实际可操作性，并且这种拓扑结构设置的共模滤波器可以对共模电压产生更好的抑制效果，提升了用户体验。
请参考图2、图3、图4和图5，图2为本发明实施例所提供的另一种变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路的电路图、图3为未使用滤波器时共模电压的展示图、图4为使用传统的滤波器时共模电压的展示图、图5为使用本发明实施例送提供的共模滤波器时共模电压的展示图。该抑制电路可以包括：变频器、电机、长线电缆、共模滤波器和差模滤波器；其中，所述差模滤波器包括并联的三个支路；第一支路为三相二极管整流桥；第二支路为串联的电阻和电容；第三支路为稳压管。
可以理解的是，对于共模滤波器的设置方式可以采用与上一实施例相同的方式，在此不再赘述。差模滤波器在变频器驱动系统的具体设置方式可以如电路图2所示，也可以通过其他的设置方式，只要可以保证差模滤波器可以解决过电压的问题，对于具体的连接方式，本实施例不做任何限制。
需要说明的是，差模滤波器可以如图2所示，由三相二极管整流桥、电阻R2、电容C2以及稳压管组成，当用长线电缆连接变频器与电机时，相电压U分为入射波U+和反射波U-，相电压U可由式(3)表示
式(3)中，为长线电缆的特征阻抗(L0、C0分别为长线电缆分布电感、分布电容)；t为电流到达电机端所用的时间；UZ为电容C2的电压的初始值；tp为电压脉冲经过长线电缆所用的时间，l为长线电缆长度。
可以使电阻R2的取值与长线电缆的特征阻抗Zl相等，即R2＝Zl，则由式(3)得
由式(4)可知，在t＝3tp时，相电压U达到最大值。相电压U与电容C2的电压的初始值UZ有直接关系，因此选取合适的UZ，如UZ为稳压管的反向耐压值，可以有效抑制差模dv/dt导致的过电压现象。
对比图3、图4和图5，可以看出本实施例所提供的变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路中的共模滤波器，相较于传统的滤波器可以更好地抑制共模电压，可以将共模电压限制在100伏以内。
本实施例中，本发明实施例通过在变频器驱动系统的电机端连接的差模滤波器，可以解决长线电缆连接变频器与电机出现的过电压现象，进一步该变频器驱动系统的使用效果，提升了用户体验。
此外，本发明还提供了一种变频器驱动系统，包括如上述任一实施例所述的变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的变频器驱动系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上对本发明所提供的变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路及变频器驱动系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路，包括：变频器，其特征在于，还包括：连接在所述变频器输出端的共模滤波器；
其中，所述共模滤波器的电感串联在所述变频器的输出端；所述共模滤波器的两个电阻电容电路的中性点分别连接在所述变频器的直流母线的正负端；所述共模滤波器具体为二阶LRC低通滤波器；所述二阶LRC低通滤波器的电容的取值为使空载运行时，流过电容支路的基波电流不大于所述变频器输出电流容量的10％的数值。
2.根据权利要求1所述的变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路，其特征在于，还包括：连接在电机端的差模滤波器；
其中，所述差模滤波器包括并联的三个支路；第一支路为三相二极管整流桥；第二支路为串联的电阻和电容；第三支路为稳压管。
3.根据权利要求1所述的变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路，其特征在于，所述二阶LRC低通滤波器的截止频率小于所述变频器的载波频率且大于所述变频器的输出脉冲基波频率。
4.根据权利要求1所述的变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路，其特征在于，所述二阶LRC低通滤波器的电感的取值为使所述变频器的基波电压在所述电感上的压降不大于3％至5％且使高频谐波电流的有效值不大于所述变频器的电流容量的10％至20％的数值。
5.根据权利要求2所述的变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路，其特征在于，所述变频器与电机通过长线电缆连接时，所述差模滤波器的电阻为：
其中，R2为所述差模滤波器的电阻，Zl为所述长线电缆的特征阻抗，L0所述长线电缆的分布电感，C0为所述长线电缆的分布电容。
6.根据权利要求2所述的变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路，其特征在于，所述差模滤波器的电容的电压初始值为所述稳压管的反向耐压值。
7.一种变频器驱动系统，其特征在于，包括：如权利要求1至6任一项所述的变频器驱动系统电机端共模电压的抑制电路。
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