CN1222265A - 电机电流的滤波方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对供给电机(M)的电流进行滤波的方法和装置。从带有电压源电路的变频器(4)送到电机(M)的电流流过变频器(4)和电压机(M)之间的线圈装置(L)以防止电流的过快增长。电机(M)的无功电流部分由放在电机(M)和带有电压源电路的变频器(4)之间的电容装置(C)补偿。通过本发明的滤波器基本补偿了电机(M)的无功电流,由此提高了功率比。

Description

电机电流的滤波方法和装置

本发明涉及根据权利要求1的前序部分用于电流滤波的方法，具体来说，涉及对供给电机，例如带有实心转子的电机的电流进行滤波的方法。本发明如权利要求4所述，还提供了一种电流滤波装置，尤其是对供给电机的电流进行滤波的装置。

众所周知，为抑制干扰，可使用CLC滤波器(线圈/电容滤波器)来对1或3相供电电流滤波，该滤波器位于零线和该相极之间，此类装置的一个例子，公开于欧洲专利说明书No.0282 797 A3中，其图1公开了此种滤波装置的线路构成图。通过这种方法，可以实现电力电子学中所说的抑制干扰。例如，可保护环境不受仪器所产生的幅射干扰，反之亦然。

变频器也是公知技术，这些变频器可以用于AC(交流)电机，尤其适用于可调电动机上。现在，在脉冲宽度调制技术基础上产生的具有电压源电路的PWM(脉宽调制)变频器已被普遍应用。本专业技术人员熟知各种类型的变频器，对他们来说，只要说明变频器主要的元器件包括一个整流器，一个直流电压源电路和一个逆变整流器(=逆变部分)，而不需再解释更多细节。

然而，按照所述欧洲专利申请图1中所述的已知技术的滤波器，却不能对产生于PWM变频器及电机之间的电流进行滤波。因为相电流I此时会由于通过三相电动机的横向电容偶而产生的快速的电压变化而瞬间变得过大。这种电流峰值会产生对使用中的仪器如开关、绝缘体等的损害。对于带有变频器的装置，仅靠使用一个电容器来补偿这个装置是不可行的。按照公式：

I=C×du/dt

其中，I=电流

C=电容

du/dt=电压/时间的变化

由变频器产生的高压脉冲会导致一个极高的电流峰值输出，由此会损坏仪器。变频器对电机短路的损害主要有以下三种方式：1)高频电流成分使电机线圈上产生电流的收缩效应，特别是当线圈是由定型的铜制成时就会出现由电流收缩效应产生的干扰。2)尽管有分布电感的衰减效应，高频电流成分也会产生将增加电机铁损耗的高频电流主磁通。3)在使用变频器所产生的干扰中，电机的转子表面成为重要的因素。当谐波电流导致电机主磁通的振荡时，在笼形转子中感应的涡旋电流会衰减这一振荡，由此产生了损耗。

因此有必要特别是对实心转子型电机的电流进行滤波。与具有叠片转子的普通电机不同的是实心转子型电机的实心转子通常是由合适的钢铁材料制造的。有时钢制的实心转子上会带有附件，例如各种涂层、铜制鼠笼绕组和短路环。用实心转子有以下好处：硬度较大，良好的抑制振荡特性，及简便、经济的制造方式。在英国专利NOS.1427818和1429826，德国专利N0.3641142或芬兰专利NO.92114NO.932732中公开了各种实心定子。

但是实心定子有例如低的效率和低的功率因子的缺点。由于其较高的无功功率，它所需要的电流比叠片式转子型电机所需电流要多许多。为了改进这些特性，可使用前述变频装置来提供电机电流。但由此产生了另外的问题。例如，并非在各种应用中都有足够大或有效或适当的变频装置。另外，由于功率增加时，变频器的价格会猛增，由此使它的使用显得不经济。变频器产生的电流的波型与理想的正弦波波型也相差较远。而且其产生的脉冲状电压会对设备元件如绝缘体和开关产生高压危害。

本发明的一个目的是解决已有技术中的缺点，并提供一种新的对供给电机的电流，特别是具有实心定子，并与电压源电路相连的电机的电流，进行滤波的方法。从而可对电流的无功电流部分进行补偿。

本发明的另一个目的是提供一种滤波方法使电机效率提高。

本发明又一个目的是提供一种方法，使电机的电流供应设备的体积，例如带有电压源电路的变频器的体积有可能缩小，和/或增加其工作的效率和经济效益。

本发明的另一个目的是提供一种方法，使电机的电压尽可能接近正弦波。

本发明的另一个目的是提供一种方法，使变频器的耦合频率降低。

本发明基于以下的思路：在变频器和电机特别是具有实心转子的电机之间，设置一个合适的滤波器，这样构成的电流供应装置可以实现本发明的上述目的。

更具体地，本发明的方法是以权利要求1至3，特别是以权利要求1的特征部分为特征。本发明的装置是以权利要求4至9，特别是以权利要求4的特征部分为特征。

根据本发明的实施例，本发明的装置包括LC滤波装置，该滤波装置位于带有电压源电路的变频器和一个三相实心转子的电机之间，并且所述滤波装置对称地装在全部三相中。该滤波装置中的一个线圈设置在每一相极的电容之前。所述电容对总的无功电流进行补偿，所述线圈防止总的不利的电流峰值的形成。

本发明具有许多显著优点。根据本发明的方法，所述滤波装置很容易实现，并且很经济实用。使用该滤波装置有可能减小电流供应设备、例如变频器的体积；还有可能增加电机的可以继续使用变频器的电流范围。上述目的之所以能实现是因为变频器供给电机的电流显著下降并且变频器的体积具体地受逆变器的电流限定。本发明的装置可使带有电压源电路的的变频器得到接近理想正弦波的电流。这样，除了上述的优点外，还能提供尽可能接近正弦波的电压和电流，由此显著减少了相互接触的轴承的轴承电流，并增加了轴承的寿命。

这对中速运转的机器特别有利。因为这些使用滚珠轴承的机器通常在这样一种运转速度范围内运转。本发明还能使变频器所供电流几乎都是有功电流。在传统的实心转子电机中，有前面提到的低效的问题，因为有功功率和无功功率几乎相同。采用本发明的方法可避免这些问题。本发明的另一个优点是设备中的绝缘体能更加经久耐用，因为电压峰值被去除，由此可减少对绝缘体的要求进而减少费用。另外，能提高变频器所提供的相电压，而无须增加绝缘体的强度。这对大型的中速机械特别有用。EMC干扰也会大幅下降。此外，还有可能通过对本发明装置的适当设计，将耦合频率从12KHz降至3KHz，进而提高整个运转的总效率。另外，还可以减少定子叠片特别是转子表面的涡旋电流。并充分降低由电子元件产生的噪声电平。通过在逆变器输出中设置LC滤波器，可将通过长的电机缆线的接地电容的电流峰值降低到最小。本发明还可以对电压源电路逆变器进行补偿，而这在现有技术中被认为是不可能的。

下面结合实施例并参照附图对本发明及其优点进行具体说明。在附图里相同的符号在不同的图中所表示的是同一特征。应该指出本发明不局限于实施例中的具体例子，而是覆盖可包括在本发明实质内容中的所有等同物或者其变化、改进。

图1a和1b分别公开了本发明的单相电路示意图。

图2公开本发明一个实施例中三相结构的对称电路图。

图3a和3b分别图示叠片转子电机和实心转子电机使用现有技术时的电流的无功和有功功率的比例。

图4为对应于图3但使用了本发明即图2所示装置的结果。

图5为现有技术下的电机电流的图形。

图1a为本发明的一个实施例中装置连接示意图。LC滤波装置10由虚线表示，连接在一个变频装置4和一个电机之间，它包括一个线圈L，一个电容C。在LC滤波装置10中，电感的主要作用是保护变频装置部分4，特别是其中的开关免受过激电流的产生的损害。电容器的主要作用是对实心转子电机的无功电流部分进行补偿。上述补偿及电压滤波的工作由设置于二个不同相极之间的电容器C来完成。这些电容器可以连接成三角形(如图2)或星形连接。

图1b是对应于图1a但将图1a的滤波装置增加了一级。在大多数情况下本图较之图1a的单级滤波装置10，滤波效率得到了提高，因而其效果更好。应说明的是，线圈L1和L2、电容器C1和C2没有必要等同于其标称值，例如在一个实施例中，线圈L1可大于线圈L2，另外，滤波器也可多于2级，滤波器各级中的元件也可按不同标准进行选择。

图2为本发明电压源逆变器在全部三相1,2和3中对称联接的示意图。线圈装置L设置于每一相的变频器4的后面，在线圈L之后设置了电容器C，以使二个相极(1,2；1,3；2,3)之间有一相同值的电容。可采用星形或三角形耦合与电机M连接。上述相极也可不是三相，例如可为二相、五相或七相。

图3a公开了在使用现有技术变频器型电流供应装置时，叠片转子型例如“板片转子(Plate rotor)”型电机的电流基波的相量图。并公开了同一方案中有功和无功功率的关系。这种实施状态下的效率系数通常为0.8-0.9。

图3b公开了用于实心转子型电机的相应的现有技术的方案。其中a)对应于转子是由一整块铁所制造的情形，b)对应于前述铁制转子带有现有技术的铜制鼠笼绕组。从有功功率和无功功率(P,Q)的关系可以看出。无功电流在全部电流中占了很大比例，因而使用变频器的实心转子电机的效率系数通常只有0.5-0.7。

上述现象的产生是由于在实心转子中不可能将磁回路和电回路彼此分开，而带有铁芯的叠片电感转子的目的正是将其分开。由此，周知的麦克斯韦方程给出了唯一的结果，即转子阻抗的相位角过大。在理论上，当使用线性非磁饱和的物质时，其相位角为45°。在饱和铁上附有不同的槽与铜栅时，是有可能减小转子的阻抗的相位角的。但是考虑到气隙和分布电感的影响，实心转子的最大效率因子约为0.7，如上所述。

图4公开了采用图2所示本发明方法的电流和电压的基波相量图及有功功率与无功功率(P,Q)的比率。在本图中无功电流的相对比例远小于有功电流的相对比例，因而提高了效率。依靠所使用的电流、功率、频率等参数通过本发明实施方案，可充分提高实心转子电机的效率至0.9，并且在大多数情况下，根据所用的参数还可超过这一数值。

使用本发明的滤波装置可以对无功功率Q进行根本的补偿。因为在现在技术中上述补偿是不可行的。需要考虑数值很大的无功电流而选择带电压源电路的变频器的尺寸，这会导致不希望的体积的增加。

按照本发明，可以减小变频器和逆变器的体积约30％，通过选定正确的体积并最佳化，还可在价格上取得收益。现在已经可以将一个相同的变频器用于更宽范围的电流/功率中，由此可以无需使用大小不同的变频器，并可将已经商业使用的变频器和电机相连接，且其可以连接所述电机的功率要比原来可能连接的功率更大。电压低于1000V的功率最大、价格最贵的变频器的电流为1KA，但通常最经济实用的变频器的电流为500-700A。有时将几种变频器组合起来用于较大的电流需要。但这从经济的角度看是不合适的。

通过合适的选定体积，可以减少变频器的耦合频率。现在通常使用的12KHz频率会使电机效率损失5％-10％。尽管希望通过降低频率来提高变频器的效率。但如降低频率后，电机电流会产生各种波动，尤其对大的电机更是如此，由此反而会更加降低效率。产生波动的原因是因为变频器供给的电压与理想的正弦波相差很大，当频率下降时，这个差距会加大。由于瞬态电感特别低。波纹电流增加得很剧烈。

图5图示没有使用本发明滤波方法的、现有技术下12KW实心转子电机在耦合频率为12KHz时的电流形状。可以很明显地看出，电流波形与正弦波有很大不同。这是因为这些固定转子以相对低速运转，它们需要数量少得多的叠绕线圈。由此电机的总电感，特别是瞬态电感会很小，因此如前面所述的，电机中会产生很大的波纹电流。一部分波纹电流会使电机主磁通产生波动，并由此会损失电机约5％程度的效率。因此对于实心转子电机，正弦波电流有显著的优点。在现有技术中，是通过增加耦合频率来使电流尽量接近正弦波的。

本发明的滤波器10具有将电流变得与正弦波非常相近的优点。由此图5所示的波形的不连续可以被光滑并变得基本消失。另外，本发明的滤波器对电流的滤波使得即使降低频率，如降至3KHz也不产生前述的负效应，由此电机M的效率得到了提高。

如权利要求中所要求的本发明的范围，不局限于上述实施例。通过前面的所述的附图，本领域技术人员可以很容易地将本发明的方法和装置运用到各种电机上而不背离本发明的精神及内容。

Claims (9)

1．一种对供给电机(M)的电流滤波的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

将来自带有电压源电路的变频装置(4)的电流通过变频装置(4)和电机(M)之间的一个线圈装置(L)供给电机(M)，以防止电流的过快地增大，

通过位于带有电压源电路的变频装置(4)和电机(M)之间的电容器装置(C)，对电机(M)的无功电流部分补偿，

由此电机(M)的无功电流可得到根本补偿，电机的功率因子得到提高。

2．根据权利要求1的一种方法，其特征在于，由电容装置(C)联接相极(1,2,3)之间的电压完成对无功电流的补偿和对电压的滤波。

3．根据权利要求1或2的一种方法，其特征在于，布置在全部相极(1,2,3)的滤波器(10)对变频器(4)供给实心转子电机(M)的多相电流，如2,3,5或7相电流进行对称滤波。

4．一种对供给电机(M)的电流进行滤波的滤波装置(10)，其特征在于，该滤波装置(10)包括：

设置于各相(1,2,3)中电机(M)和带有电压源电路的变频装置(4)之间的线圈装置(L,L1,L2)；

设置于二个不同相(1,2；1,3；2,3)之间，并在沿电流流动方向位于线圈装置(8)之后的电容装置(C,C1,C2)，这样形成的滤波装置(10)可以防止电流的过快增大，并补偿电流中的无功电流部分。

5．根据权利要求4的滤波装置，其特征在于，所述电机为三相实心转子感应电机(M)，电流源装置包括变频装置(14)，所述滤波装置(10)相对于全部三相(1,2,3)对称连接。

6．根据权利要求4的滤波装置，其特征在于，所述电机为2,5或7相实心转子感应电机(M)所述电流源装置包括变频装置(4)，所述滤波装置(10)相对于所有相极对称联接。

7．根据权利要求4,5或6的滤波装置，其特征在于，在变频装置(4)和电机(M)之间连续设置了数个滤波装置。

8．根据权利要求7的装置，其特征在于，所述连续设置的滤波装置(10)的相应元件(L,C)是不等值的。

9．根据权利要求4至8的装置，其特征在于，所述变频装置(4)包括PMW变频器或类似装置。

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