CN107819397B - 输入滤波器及其设置方法、包括该输入滤波器的变频器 - Google Patents

输入滤波器及其设置方法、包括该输入滤波器的变频器 Download PDF

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Abstract

提供了一种交流输入侧的输入滤波器及其设置方法以及包括这种输入滤波器的变频器。根据本公开的实施例，输入滤波器包括：连接在交流输入与整流级之间的多相交流线路；连接在各相交流线路中的共模滤波电感器；针对差模、共模的滤波电容器，各针对差模、共模的滤波电容器的一端分别在共模滤波电感器下游侧连接至相应相的交流线路；共模滤波电容器，各针对差模、共模的滤波电容器的另一端共同连接到该共模滤波电容器的一端，该共模滤波电容器的另一端接地；以及与共模滤波电容器并联连接的电阻器。根据本公开的实施例，可以方便、有效、可靠且低成本实现共模抑制。

Description

输入滤波器及其设置方法、包括该输入滤波器的变频器
技术领域
本公开一般地涉及电力电子技术，更具体地，涉及一种交流输入侧的输入滤波器及其设置方法以及包括这种输入滤波器的变频器。
背景技术
在交流(AC)输入线路中，通常插入有输入滤波器，以便滤除噪声，例如电磁干扰噪声(EMI)等。输入滤波器可以包括电容器和电感器等滤波元件，例如针对共模噪声的共模滤波电感器。在输入滤波器所应用于的系统如变频器的载波频率与输入滤波器的自谐振频率接近或甚至相等时，可发生低频谐振引起共模电流增大使得共模滤波电感器饱和，导致输入滤波器无法有效地抑制传导EMI的负面现象。
常规技术中通常采用使系统的载波频率避开输入滤波器谐振频率的方案或者增大共模滤波电感器的磁环尺寸从而使其饱和电流增大的方案。
但是，由于工艺的原因，共模滤波电感器的电感值会随系统工作状态变化而变化，并且电容精度低，导致输入滤波器的自谐振频率范围特别广。如果采用回避谐振点的方案，则要求避开的谐振点很多，使得系统可用的载波频率很少。
另外，增大共模滤波电感器的磁环尺寸相应会增加很多成本。
发明内容
有鉴于此，本公开的目的至少部分地在于提供一种交流输入侧的输入滤波器及其设置方法以及包括这种输入滤波器的变频器。
根据本公开的一个方面，提供了一种输入滤波器，包括：连接在交流输入与整流级之间的多相交流线路；连接在各相交流线路中的共模滤波电感器；针对差模、共模的滤波电容器，各针对差模、共模的滤波电容器的一端分别在共模滤波电感器下游侧连接至相应相的交流线路；共模滤波电容器，各针对差模、共模的滤波电容器的另一端共同连接到该共模滤波电容器的一端，该共模滤波电容器的另一端接地；以及与共模滤波电容器并联连接的电阻器。
该电阻器可以用作针对共模电流的阻尼，从而可以抑制共模电流。于是，即使发生谐振，共模电流也受到限制，可以抑制共模滤波电感器的饱和。因此，系统的负载频率无需刻意回避输入滤波器的谐振频率，而且也无需增大共模滤波电感器的磁环的尺寸。
根据本公开的实施例，输入滤波器可以用于变频器。如上所述，因为无需回避谐振点，所以输入滤波器的谐振频率可以与变频器的工作载波频率至少部分地交迭。
根据本公开的实施例，输入滤波器还可以包括：差模滤波电容器，各差模滤波电容器的一端分别在共模滤波电感器上游侧连接至相应相的交流线路，且各差模滤波电容器的另一端连接在一起。
根据本公开的实施例，共模滤波电感器的电感值可以为0.7-2mH。也就是说，共模滤波电感器可以保持与常规技术中大致相同的量级，而无需特意增大。
根据本公开的实施例，可以根据下式确定电阻器的电阻值RY的范围：
其中，VCM2由下式给出：
其中，Bsat表示共模滤波电感器的磁环的饱和磁通密度，le表示共模滤波电感器的磁环的平均有效磁路长度，μ表示共模滤波电感器的磁环的磁导率，n表示共模滤波电感器的匝数，Req表示连接到输入滤波器的共模等效电阻，LCM表示共模滤波电感器的电感，CACX2表示针对差模、共模的滤波电容器的电容，CACY表示共模滤波电容器的电容，Vdc表示整流级之后的直流母线电压，CP表示交流输出缆线对地等效共模电容与负载等效共模电容的并联等效，ω0表示输入滤波器的谐振角频率，符号“//”表示并联。
根据本公开的实施例，电阻器可以包括金属氧化膜电阻器。
根据本公开的另一方面，提供了一种变频器，包括如上所述的输入滤波器。
根据本公开的又一方面，提供了一种设置如上所述的输入滤波器的方法，包括：得到共模等效回路，该共模等效回路为Req、LCM、vCM2、3CACX2、CACY//RY相串接的回路，其中，Req表示连接到输入滤波器的共模等效电阻，LCM表示共模滤波电感器的电感，vCM2表示共模干扰源，CACX2表示针对差模、共模的滤波电容器的电容，CACY表示共模滤波电容器的电容，RY表示电阻器的电阻值，符号“//”表示并联；基于共模等效回路，设置电阻器的阻值，使得共模电流小于使共模滤波电感器饱和的强度。
发明人在对输入滤波器进行电路分析时发现，在低频段下，可以将电路简化为RLC谐振回路。根据这种简化，发明人发现在共模滤波电容器上并联阻尼电阻器可以抑制共模电流。
根据本公开的实施例，可以根据下式确定电阻器的电阻值RY的范围：
其中，VCM2由下式给出：
其中，Bsat表示共模滤波电感器的磁环的饱和磁通密度，le表示共模滤波电感器的磁环的平均有效磁路长度，μ表示共模滤波电感器的磁环的磁导率，n表示共模滤波电感器的匝数，Req表示连接到输入滤波器的共模等效电阻，LCM表示共模滤波电感器的电感，CACX2表示针对差模、共模的滤波电容器的电容，CACY表示共模滤波电容器的电容，Vdc表示整流级之后的直流母线电压，CP表示交流输出缆线对地等效共模电容与负载等效共模电容的并联等效，ω0表示输入滤波器的谐振角频率，符号“//”表示并联。
根据本公开的实施例，该方法还可以包括：选择输入滤波器的谐振频率，使得输入滤波器的谐振频率与输入滤波器所应用于的变频器的工作载波频率至少部分地交迭。
如上所述，本公开所提出的方案方便、有效、可靠且低成本。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是示出了根据本公开实施例的输入滤波器能够应用到的电路配置的示意框图；
图2是示出了根据本公开实施例的输入滤波器能够应用到的电路配置的示意电路图；
图3是示出了根据本公开实施例的图2所示的电路的共模等效电路；
图4是示出了根据本公开实施例的图3所示的共模等效电路的进一步简化模型；
图5是示出了根据本公开实施例的输入滤波器的示意电路图；
图6是示出了根据本公开实施例的输入滤波器的简化共模等效电路。
贯穿附图，相同或相似的附图标记表示相同或相似的部件。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
图1是示出了根据本公开实施例的输入滤波器能够应用到的电路配置的示意框图。
如图1所示，该电路配置可以包括前级102和后级104。前级102可以包括交流(AC)/直流(DC)变换器，用于将AC输入例如来自AC电源(例如，电网)的AC功率转换为DC功率；后级104可以包括DC/AC变换器，用于将来自前级102的DC功率转换为具有所需频率和幅度的AC输出，以便提供给负载(例如，AC电机)。因此，这种电路配置可以适用于例如变频器中。另外，为了滤除噪声如EMI，在AC输入侧可以设置有输入滤波器106。
尽管图中并未明确示出，但是AC侧可以具有一定的相数(例如，两相、三相或者甚至更多相)。以下，以三相为例进行描述。相应地，在AC侧(包括AC输入侧和AC输出侧)可以具有三条AC输入/输出线路。另外，在前级102和后级104之间，可以连接有直流母线。
图2是示出了根据本公开实施例的输入滤波器能够应用到的电路配置的示意电路图。
如图2所示，类似地，该电路配置包括AC/DC变换器202和DC/AC变换器204。AC/DC变换器202可以是整流电路，例如二极管整流电路。图2中以二极管的形式示意性示出了该整流电路。DC/AC变换器204可以是逆变器，例如由开关器件如晶体管特别是绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成的桥式逆变器。图2中以晶体管的形式示意性示出了该逆变器。在三相的情况下，逆变器204可以包括三相输出U、V和W(例如，通过三桥臂的桥式逆变器实现)。整流器202和逆变器204之间通过直流母线连接。直流母线上可以连接有直流支撑电容器O，例如电解电容器。
类似地，该电路配置在整流器202的AC输入侧设置有输入滤波器206。输入滤波器206可以包括连接在各相AC输入线路L1、L2和L3上的共模滤波电感器LCM。共模滤波电感器LCM可以包括与AC输入相数相对应的多个线圈(在该示例中，为三个线圈)。这多个线圈例如可以绕制于相同磁芯或者磁环上。优选地，这多个线圈的绕制方式使得当共模电流通过这多个线圈时，它们的磁通量彼此增强耦合，从而形成共模抑制滤波。例如，共模滤波电感器LCM的电感值可以为约0.7-2mH(针对各相线路可以基本上相同)。
在共模滤波电感器LCM的两侧，可以设置滤波电容器。
例如，在共模滤波电感器LCM的上游侧，可以设置滤波电容器CACX1。在该示例中，与各相相对应，共有三个滤波电容器CACX1，呈星形或者说Y形配置。这种配置的滤波电容器CACX1主要地可以滤除差模噪声，因此可以称作差模滤波电容器。具体地，各差模滤波电容器CACX1的一端分别连接至AC输入线路L1、L2和L3中的相应线路，而它们各自的另一端连接在一起。采用Y形配置可以降低耐压要求。备选地，差模滤波电容器CACX1也可以呈三角形配置(各滤波电容器CACX1分别连接在AC输入线路L1、L2和L3中的各两条线路之间)。各相差模滤波电容器CACX1可以具有基本上相同的电容值。
类似地，在共模滤波电感器LCM的下游侧，可以设置滤波电容器CACX2。在此，滤波电容器CACX2的连接方式类似于差模滤波电容器CACX1，不同之处在于各相的滤波电容器CACX2的公共结点进一步连接到另一滤波电容器CACY。这种配置的滤波电容器CACX2可以兼具差模和共模滤波作用，因此可以称作针对差模、共模的滤波电容器。各相针对差模、共模的滤波电容器CACX2可以具有基本上相同的电容值。另外，滤波电容器CACY的另一端可以接地，并主要地可以为系统所产生的共模噪声提供回路，因此可以称作共模滤波电容器。例如，共模滤波电容器CACY的电容值可以为约100nF-约1μF。
逆变器204的AC输出U、V和W可以通过AC输出线缆提供给负载208(例如，电机)。在图2中示意性示出了各相AC输出线缆对地的等效共模电容CCable，一般为约几十pF；另外还示出了负载208各相对地的等效共模电容CLoad(例如，由于作为负载的电机的各相绕组与机壳造成)，一般为几nF。
在此，为测试目的，AC输入线路L1、L2和L3可以通过线路阻抗稳定网络(LISN)210接收来自AC电源(图2中示出了三相电源A、B和C，例如主电网)的电力。LISN 210可以为系统提供稳定阻抗，并抑制电磁干扰，以便于测试。另外，还可以设置EMI接收机212。
以下考察图2所示的电路在共模情况下的操作。图3是示出了根据本公开实施例的图2所示的电路的共模等效电路。
如图3所示，LISN 210上游的部分为供电网络，频率例如为50Hz，在此可以等效为电阻Rsource+电感Lsource的阻抗形式。LISN 210可以有多种配置。图3中示出了一种示例LISN配置，包括电感器、电容器和电阻器构成的滤波网络。在一个示例中，电感器LLISN/3的电感值为约50μH/3(即，LLISN为约50μH)，电容器3C1的电容值为约3×0.25μF(即，C1为约0.25μF)，电容器3C2的电容值为约3×8μF(即，C2为约8μF)，电阻器R1/3的电阻值为约50Ω/3(即，R1为约50Q)，电阻器R2/3的电阻值为约5Ω/3(即，R2为约5Ω)。输入滤波器在共模情况下可以等效为共模滤波电感器LCM与针对共模的滤波电容CCM的网络。在此，根据针对差模、共模的滤波电容器CACX2与共模滤波电容器CACY的连接方式，在共模情况下等效滤波电容CCM相当于3CACX2与CACY的串联，具体为：
另外，vCM为电路中的等效共模干扰源。例如，共模干扰主要由开关器件如IGBT导致。下游电路中的电容可以等效为CP，在此例如是CCable和CLoad的并联等效。
在此，考虑到系统的主要应用场景(例如，变频器)，考虑低频段(例如，20kHz以内)时的情形。发明人对不同频域进行了阻抗分析，发现在低频段下，图3的等效电路可以进一步简化。图4是示出了根据本公开实施例的图3所示的共模等效电路的进一步简化模型。
如图4所示，在低频段下，共模等效电路可以简化为等效电阻Req、等效电感Leq、共模干扰源vCM1和等效电容Ceq的回路。
在低频段下，电网的阻抗远小于LISN中C1、R1和C2、R2支路的阻抗，因此等效电阻Req可以近似为电网的阻抗(图3中的Rsource)，且一般电阻值较小。另外，由于共模滤波电感器LCM的电感值远大于LISN中的电感LLISN/3和电网的电感Lsource，因此等效电感Leq可以近似为LCM。另外，由于等效共模滤波电容CCM远大于下游电路中的等效电容CP，因此等效电容Ceq可以近似为CCM。共模干扰源vCM1仍然是上述共模干扰源。
根据图4所示的简化模型(RLC串联谐振回路)，可以得出该共模等效电路的自谐振频率为：
如上所述，Leq≈LCM且CeqCCM，因此图4所示的共模等效电路的自谐振频率f0(＝2πω0)可以近似认为是输入滤波器的谐振频率。
在图4的等效回路中，共模阻抗ZCM1可以表示为：
在图4的等效回路中，共模干扰源的共模电压基波幅值VCM1可以表示为：
其中，Vdc为直流母线电压。
在图4的等效回路中，共模干扰源的共模电流基波幅值ICM1可以表示为：
其中，f(＝2πω)表示系统(例如，变频器)工作时的载波频率。
如果共模干扰源基波频率f和输入滤波器谐振频率f0接近时将会造成共模电流变的很大。
根据共模电流和磁感应强度的关系，共模电感不饱和时，共模电流ICM(参见上式(4))满足以下条件：
其中，Bsat表示共模滤波电感器的磁环的饱和磁通密度，le表示共模吕电感器的磁环的平均有效磁路长度，μ表示共模滤波电感器的磁环的磁导率，n表示共模滤波电感器的匝数。
由式(4)和式(5)可知，谐振时共模电流ICM1计算值式(4)需要小于共模电流设计范围式(5)，则要求输入滤波器共模电感的磁环le大，即要求共模电感磁环尺寸增大，否则将会发生共模电感饱和，此时共模电感对EMI抑制效果基本无效。
根据本公开的实施例，基于图4所示的等效电路模型，在输入滤波器中引入阻尼电阻器，以对共模电流产生抑制，使得发生谐振时共模电流变小。
图5是示出了根据本公开实施例的输入滤波器的示意电路图。
图5所示的输入滤波器示出了与共模滤波相关的部分，并没有示出与差模滤波相关的部分如差模滤波电容器CACX1。图5所示的输入滤波器与图2所示的输入滤波器(在共模滤波方面)基本上相同，除了在共模滤波电容器CACY上并联连接了电阻器RY。
根据相同的推导，可以得到具有图5所示的输入滤波器的系统的等效电路，如图6所示。
图6所示的等效电路与图4所示的等效电路基本上相同，其中将共模等效电容具体示出为3CACX2与CACY的串联，并且在CACY上并联了电阻器RY。
在图6的等效回路中，共模阻抗ZCM2可以表示为：
其中，符号“//”表示并联关系。例如，阻抗Z1和阻抗Z2并联之后表现出的总阻抗可以表示为“Z1//Z2”。
在共模阻抗ZCM2的情况下，共模干扰源vCM2的共模电压基波幅值VCM2和共模电流基波幅值ICM2可以表示为：
当式(8)满足式(5)所确定的电流范围时，可计算得到RY的实际取值范围。具体地，如下式所示：
RY作为一个阻尼电阻，仅对共模电流产生抑制。如式(6)所示，实际仅增加整个回路共模阻抗ZCM2。根据图6对比图4可知，加入RY后打破原有RLC串联谐振，同时由式(6)、(7)和(8)可知，并入RY后，谐振时整个共模回路的阻抗增加，对应谐振时共模电流变小。
发明人通过研究系统电路，推导得出了简化共模等效电路，并基于该简化共模等效电路，仅通过增加一个阻尼电阻器，就可以抑制输入滤波器自谐振频率与系统载波频率接近时发生低频谐振引起共模电流增大使得共模滤波电感器饱和导致共模滤波电感器无法抑制EMC干扰的负面影响。因此，无需特意选定系统工作时的载波频率以避开输入滤波器的谐振频率。也即，系统的载波频率与输入滤波器的谐振频率在频域中至少可以部分地交迭。另外，无需特意增大功率滤波电感器的磁环尺寸。因此，本公开所提出的拓扑结构方便、有效、可靠且低成本。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (8)

1.一种输入滤波器，包括：
连接在交流输入与整流级之间的多相交流线路；
连接在各相交流线路中的共模滤波电感器；
针对差模、共模的滤波电容器，各针对差模、共模的滤波电容器的一端分别在共模滤波电感器下游侧连接至相应相的交流线路；
共模滤波电容器，各针对差模、共模的滤波电容器的另一端共同连接到该共模滤波电容器的一端，该共模滤波电容器的另一端接地；以及
与共模滤波电容器并联连接的电阻器，
其中，根据下式确定电阻器的电阻值RY的范围：
其中，VCM2表示共模电压基波幅值，且由下式给出：
其中，Bsat表示共模滤波电感器的磁环的饱和磁通密度，le表示共模滤波电感器的磁环的平均有效磁路长度，μ表示共模滤波电感器的磁环的磁导率，n表示共模滤波电感器的匝数，Req表示连接到输入滤波器的共模等效电阻，LCM表示共模滤波电感器的电感，CACX2表示针对差模、共模的滤波电容器的电容，CACY表示共模滤波电容器的电容，Vdc表示整流级之后的直流母线电压，CP表示交流输出缆线对地等效共模电容与负载等效共模电容的并联等效，ω0表示输入滤波器的谐振角频率，符号“//”表示并联。
2.根据权利要求1所述的输入滤波器，其中，所述输入滤波器用于变频器，且所述输入滤波器的谐振频率与变频器的工作载波频率至少部分地交迭。
3.根据权利要求1所述的输入滤波器，还包括：
差模滤波电容器，各差模滤波电容器的一端分别在共模滤波电感器上游侧连接至相应相的交流线路，且各差模滤波电容器的另一端连接在一起。
4.根据权利要求1所述的输入滤波器，其中，共模滤波电感器的电感值为0.7-2mH。
5.根据权利要求1所述的输入滤波器，其中，电阻器包括金属氧化膜电阻器。
6.一种变频器，包括如权利要求1-5中任一项所述的输入滤波器。
7.一种设置如权利要求1所述的输入滤波器的方法，包括：
得到共模等效回路，该共模等效回路为Req、LCM、vCM2、3CACX2、CACY//RY相串接的回路，其中，Req表示连接到输入滤波器的共模等效电阻，LCM表示共模滤波电感器的电感，vCM2表示共模干扰源，CACX2表示针对差模、共模的滤波电容器的电容，CACY表示共模滤波电容器的电容，RY表示电阻器的电阻值，符号“//”表示并联；
基于共模等效回路，设置电阻器的阻值，使得共模电流小于使共模滤波电感器饱和的强度。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
选择输入滤波器的谐振频率，使得输入滤波器的谐振频率与输入滤波器所应用于的变频器的工作载波频率至少部分地交迭。
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