CN1303755C - 带有反馈有源低通滤波装置的变频器 - Google Patents

Abstract

带有反馈有源低通滤波装置的变频器，它涉及变频器滤波技术领域，它可以滤去现有变频器输出电压中存在的共模信号。1的输出端与C5、2的输入端连接，C5与C6、Vs1的负极端、Vs2的正极端、R4和L1的非同名端连接，C6与1的输出端和2的输入端连接，2的输出端分别与(L21～L23)的同名端连接，(L21～L23)的非同名端分别通过(C1～C3)与(R1～R3)连接，(R1～R3)的另一端都与T1、T2的基极和C4连接，C4与R4连接，T1的集电极与Vs1的正极端连接，T1的发射极与L1的同名端和T2的发射极连接，T2的集电极与Vs2的负极端连接。本发明能消除变频器带来的负面效应，具有能集成模块形式的优点。

Description

带有反馈有源低通滤波装置的变频器

技术领域：

本发明涉及变频器应用技术领域，具体涉及一种用于变频器中的反馈有源低通滤波器。

背景技术：

变频调速是一项效益高，性能好，应用广泛的交流传动控制技术。作为实现变频调速的控制装置——变频器已被广泛应用于工业、农业及国防领域，变频器在节能、改善人类生活环境、降低生产成本、提高产品质量及工业自动化程度等方面做出了巨大的贡献，但是由于现代电力电子器件的飞速发展，使功率开关器具有了快速导通或关断特性，导致变频器产生高频输出电压，从而引起一些严重危害，主要有1)在功率开关器件的高速通断期间，高频输出电压会在电动机铁芯叠片中激励涡流引起热损耗，还会使电动机的铜线绕组通过集肤效应消耗更多的能量，加剧电动机的热损耗，导致电动机功率损耗增大，效率降低，从而影响电动机性能，特别是变频器产生的高频电磁振荡的频率与电动机的零部件的固有振荡频率相近时，会诱使其发生机械共振或噪声；2)由于电源线路存在分布电容以及电动机内部存在寄生电容，将产生充放电漏电流流入地线，该电流正比于电压变化率，如果漏电流过大将引起电动机保护电路误动作；3)当高载波频率的电压型PWM变频器驱动电动机时，高频输出电压不仅在电动机内部的寄生电容上产生充放电漏电流，而且还会由于电容的积累作用使得转子轴电压升高，这两者都会引起润滑油膜击穿，产生电火花加工作用，从而导致电动机轴承过早损坏，增加电动机的维修费用，影响系统的正常运行；4)频率从100KHz到几兆范围变化的漏电流经地线流回系统的三相电源中，产生高频电磁干扰，高次谐波电流在电路阻抗上形成谐波压降，产生有功和无功损耗，影响供电电网电能的质量，导致供电效率下降，还会使继电保护装置因受干扰而误动作，影响电网上的其它电子设备的正常运行，甚至会造成设备的损坏；5)当电动机和变频器之间不可避免地采用长线传输电缆时，如在石油开采、造纸、采矿业等领域，由于长线电缆存在分布电感和分布电容，将产生反射波现象，使电动机端输出电压变化率加倍，若变频器输出电压中有共模信号则会使上述危害进一步加剧。上述问题的存在，严重影响了变频器驱动系统的可靠运行，制约了变频技术的进一步推广使用。

发明内容：

本发明的目的是为解决现有变频器输出中存在高频共模信号而引起的危害性问题，从而研制了一种带有反馈有源低通滤波装置的变频器。本发明由三相整流电路1、PWM逆变器2、第五电容C5、第六电容C6、反馈有源低通滤波器3组成，反馈有源低通滤波器3由四绕组共模变压器4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一三极管T1、第二三极管T2、第一直流电源Vs1、第二直流电源Vs2组成；工业用三相电源的三个输出端分别连接三相整流电路1的三个电源输入端，三相整流电路1的一个输出端与第五电容C5的一端和PWM逆变器2的一个输入端连接，第五电容C5的另一端与第六电容C6的一端、第一直流电源Vs1的负极端、第二直流电源Vs2的正极端、第四电阻R4的一端和四绕组共模变压器4的原边绕组L1的非同名端连接，第六电容C6的另一端与三相整流电路1的另一个输出端和PWM逆变器2的另一个输入端连接，PWM逆变器2的三个输出端分别与四绕组共模变压器4的副边第一绕组L21、副边第二绕组L22、副边第三绕组L23的同名端连接，四绕组共模变压器4的副边第一绕组L21的非同名端与第一电容C1的一端和三相感应电动机5的第一电源端连接，副边第二绕组L22的非同名端与第二电容C2的一端和三相感应电动机5的第二电源端连接，副边第三绕组L23的非同名端与第三电容C3的一端和三相感应电动机5的第三电源端连接，第一电容C1的另一端与第一电阻R1的一端连接，第二电容C2的另一端与第二电阻R2的一端连接，第三电容C3的另一端与第三电阻R3的一端连接，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3的另一端都与第一三极管T1的基极、第二三极管T2的基极和第四电容C4的一端连接，第四电容C4的另一端与第四电阻R4的另一端连接，第一三极管T1的集电极与第一直流电源Vs1的正极端连接，第一三极管T1的发射极与原边绕组L1的同名端和第二三极管T2的发射极连接，第二三极管T2的集电极与第二直流电源Vs2的负极端连接；四绕组共模变压器4的铁芯6是采用非晶合金材料制成的环形或闭合C形，铁芯6的有效截面积S由下式确定：

$S=D\×C>\frac{\sqrt{L_2\×\mathrm{AL}}\×I_{2\mathrm{com}}}{70\%\×B_s}$

式中，D是铁芯6的环状宽度，C是铁芯6的厚度，L₂是四绕组共模变压器4的副边第一绕组L21、副边第二绕组L22、副边第三绕组L23的电感值，AL是铁芯6的电感因数AL-value(μH/N²)，I_2com是三相感应电动机5的共模电流，B_s是铁芯6的饱和磁通密度；

铁芯6的磁路平均长度l由下式确定：

$l=2\×(A+B-2D)=\frac{S\×{\mathrm{\μ}}_d}{\mathrm{AL}}$

式中，A是铁芯6的长度，B是铁芯6的宽度，D是铁芯6的环状宽度，μ_d是铁芯6的导磁率，S是铁芯6的有效截面积，AL是铁芯6的电感因数AL-value(μH/N²)；

铁芯6的长度A、铁芯6的宽度B、铁芯6的环状宽度D、铁芯6的厚度C应满足下式：

N₁×π×(D₁/2)²+N₂×π×(D₂/2)²＜θ×(A-2D)×(B-2D)

式中，N₂是四绕组共模变压器4的副边第一绕组L21、副边第二绕组L22、副边第三绕组L23的匝数，N₁是四绕组共模变压器4的原边绕组L1的匝数，D₂是副边第一绕组L21、副边第二绕组L22、副边第三绕组L23的线径，D₁是原边绕组L1的线径，θ是占空系数且一般为70～75％，而上述副边第一绕组L21、副边第二绕组L22、副边第三绕组L23的匝数N₂和原边绕组L1的匝数N₁分别由下面两式确定：

$N_2=\sqrt{L_2/\mathrm{AL}},N_1=n\×N_2$

上式中，L₂是四绕组共模变压器4的副边第一绕组L21、副边第二绕组L22、副边第三绕组L23的电感值，AL是铁芯6的电感因数AL-value(μH/N²)，n是四绕组共模变压器4的增益倒数。工作原理：由第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4组成的无源共模电压检测网能从PWM逆变器2的输出电压中取得反馈共模电压信号送入由第一三极管T1、第二三极管T2、第一直流电源Vs1、第二直流电源Vs2组成的推挽电路中，推挽电路放大反馈电压信号驱动四绕组共模变压器4工作，四绕组共模变压器4产生的电压叠加到PWM逆变器2的输出中，该电压的大小与从PWM逆变器2产生的共模电压大小相等、相位相反，从而能抵消PWM逆变器2输出电压中的共模电压信号。本发明能消除变频器带来的负面效应，提高系统的可靠性，并具有结构简单、维修方便的优点，而且反馈有源低通滤波器3和PWM逆变器2可以封装到一起。本发明的有益效果可以用Allen-Bradley 1336 FORCE^TM变频器驱动J02-32-4感应电动机系统的实验结果来验证，如图4、图5和图6所示；图4中波形1为PWM逆变器2输出的共模电压，波形2为经100m长线电缆后未接反馈有源低通滤波器3时三相感应电动机5的输入共模电压，波形3为接反馈有源低通滤波器3时三相感应电动机5的输入共模电压，可见，三相感应电动机5的输入共模电压被充分抑制了，尤其高频共模电压抑制的更为充分；图5中波形1为PWM逆变器2输出的共模电压，波形3为未接反馈有源低通滤波器3时三相感应电动机5的轴电压，波形2为接反馈有源低通滤波器3时三相感应电动机5的轴电压；图6中波形1为PWM逆变器2输出的共模电压，波形3为未接反馈有源低通滤波器3时三相感应电动机5的漏电流，波形2为接反馈有源低通滤波器3时三相感应电动机5的漏电流；可见，PWM逆变器2输出中附加的共模电压对三相感应电动机5的轴电压和漏电流产生的负面影响被充分抑制了。

附图说明：

图1是本发明的整体结构示意图，图2是四绕组共模变压器4的铁芯6的结构示意图，图3是图2中铁芯6的俯视图，图4是本发明对PWM逆变器2输出中的共模电压抑制作用的波形图，图5是本发明对三相感应电动机5的轴电压影响的波形图，图6是本发明对三相感应电动机5的漏电流影响的波形图。

具体实施方式：

结合图1、图2和图3说明本具体实施方式，本具体实施方式由三相整流电路1、PWM逆变器2、第五电容C5、第六电容C6、反馈有源低通滤波器3组成，反馈有源低通滤波器3由四绕组共模变压器4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一三极管T1、第二三极管T2、第一直流电源Vs1、第二直流电源Vs2组成；工业用三相电源的三个输出端分别连接三相整流电路1的三个电源输入端，三相整流电路1的一个输出端与第五电容C5的一端和PWM逆变器2的一个输入端连接，第五电容C5的另一端与第六电容C6的一端、第一直流电源Vs1的负极端、第二直流电源Vs2的正极端、第四电阻R4的一端和四绕组共模变压器4的原边绕组L1的非同名端连接，第六电容C6的另一端与三相整流电路1的另一个输出端和PWM逆变器2的另一个输入端连接，PWM逆变器2的三个输出端分别与四绕组共模变压器4的副边第一绕组L21、副边第二绕组L22、副边第三绕组L23的同名端连接，四绕组共模变压器4的副边第一绕组L21的非同名端与第一电容C1的一端和三相感应电动机5的第一电源端连接，副边第二绕组L22的非同名端与第二电容C2的一端和三相感应电动机5的第二电源端连接，副边第三绕组L23的非同名端与第三电容C3的一端和三相感应电动机5的第三电源端连接，第一电容C1的另一端与第一电阻R1的一端连接，第二电容C2的另一端与第二电阻R2的一端连接，第三电容C3的另一端与第三电阻R3的一端连接，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3的另一端与第一三极管T1的基极、第二三极管T2的基极和第四电容C4的一端连接，第四电容C4的另一端与第四电阻R4的另一端连接，第一三极管T1的集电极与第一直流电源Vs1的正极端连接，第一三极管T1的发射极与原边绕组L1的同名端和第二三极管T2的发射极连接，第二三极管T2的集电极与第二直流电源Vs2的负极端连接。三相整流电路1和PWM逆变器2的组合电路可用Allen-Bradley 1336 FORCE^TM型号的变频器代替。

反馈有源低通滤波器3的截止频率f_n小于PWM逆变器2中功率开关器件的开关频率f_s，即满足下式：

$2\mathrm{\&pi;}{f}_n=\frac{1}{\sqrt{3\mathrm{\&beta;}{L}_1{C}_1/n}}<<2\mathrm{\&pi;}{f}_s...\left(1\right)$

一般取截止频率f_n＝1/5×f_s。

第一直流电源Vs1和第二直流电源Vs2的值都大于三极管T1的工作电压V_working；第一三极管T1和第二三极管T2选用具有高速开关特性的互补三极管，第一三极管T1和第二三极管T2的频带都大于30MHz、放大倍数都大于50、额定电流都大于1A、额定功率都大于75W、额定电压都大于或等于100V，并工作电压V_working小于额定电压的一半。

四绕组共模变压器4的原边绕组L1的线径D₁由第一三管T1和第二三管T2输出的电流确定，原边绕组L1电感值L₁根据上式(1)可得：

$L_1>>\frac{n}{3\mathrm{\&beta;}{C}_1{\left(2\mathrm{\&pi;}{f}_s\right)}^2}$

式中，β为第一三极管T1的放大倍数，C₁是第一电容C1的值，f_s为功率开关器件的开关频率，n是四绕组共模变压器4的增益倒数，而上述四绕组共模变压器4的增益倒数n可由下式确定：

$n=\frac{V_{\mathrm{working}}}{V_{\mathrm{dc}}/2}$

式中，V_dc为直流母线电压，V_working为工作电压；

四绕组共模变压器4的副边第一绕组L21、副边第二绕组L22、副边第三绕组L23的电感值和线径都相等，副边第一绕组L21、副边第二绕组L22、副边第三绕组L23的线径D₂根据三相感应电动机5的额定电流选择，副边第一绕组L21、副边第二绕组L22、副边第三绕组L23的电感值L₂由下式确定：

L₂＝L₁/n²

式中，n是四绕组共模变压器4的增益倒数，L₁四绕组共模变压器4的原边绕组L1电感值。

四绕组共模变压器4的铁芯6是采用非晶合金材料制成的环形或闭合C形，铁芯6的有效截面积S由下式确定：

$S=D\&times;C>\frac{\sqrt{L_2\&times;\mathrm{AL}}\&times;I_{2\mathrm{com}}}{70\%\&times;B_s}$

式中，D是铁芯6的环状宽度，C是铁芯6的厚度，L₂是四绕组共模变压器4的副边第一绕组L21、副边第二绕组L22、副边第三绕组L23的电感值，AL是铁芯6的电感因数AL-value(μH/N²)，I_2com是三相感应电动机5的共模电流，B_s是铁芯6的饱和磁通密度；

铁芯6的磁路平均长度l由下式确定：

$l=2\&times;(A+B-2D)=\frac{S\&times;{\mathrm{\&mu;}}_d}{\mathrm{AL}}$

式中，A是铁芯6的长度，B是铁芯6的宽度，D是铁芯6的环状宽度，μ_d是铁芯6的导磁率，S是铁芯6的有效截面积，AL是铁芯6的电感因数AL-value(μH/N²)；

铁芯6的长度A、铁芯6的宽度B、铁芯6的环状宽度D、铁芯6的厚度C应满足下式：

N₁×π×(D₁/2)²+N₂×π×(D₂/2)²＜θ×(A-2D)×(B-2D)

式中，N₂是四绕组共模变压器4的副边第一绕组L21、副边第二绕组L22、副边第三绕组L23的匝数，N₁是四绕组共模变压器4的原边绕组L1的匝数，D₂是副边第一绕组L21、副边第二绕组L22、副边第三绕组L23的线径，D₁是原边绕组L1的线径，θ是占空系数且一般为70～75％，而上述副边第一绕组L21、副边第二绕组L22、副边第三绕组L23的匝数N₂和原边绕组L1的匝数N₁分别由下面两式确定：

$N_2=\sqrt{L_2/\mathrm{AL}},N_1=n\&times;N_2$

上式中，L₂是四绕组共模变压器4的副边第一绕组L21、副边第二绕组L22、副边第三绕组L23的电感值，AL是铁芯6的电感因数AL-value(μH/N²)，n是四绕组共模变压器4的增益倒数。

第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3的值都相同，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3的值都相同，第一电容C1的值小于或等于PWM逆变器2中功率开关器件的输出电容值，第一电阻R1的值由下式确定：

$R_1=2\mathrm{\&zeta;}\sqrt{\frac{3\mathrm{\&beta;}{L}_1}{n{C}_1}}$

式中，L₁为四绕组共模变压器4的原边绕组L1的电感值，β为第一三极管T1的放大倍数，C₁是第一电容C1的值，ζ是比例系数且ζ≥1，n是四绕组共模变压器4的增益倒数。

第四电容C4和第四电阻R4的值由下两式确定：

R₄＝R₁×n/(3-3n)，C₄＝C₁×(3-3n)/n

式中，C₁是第一电容C1的值，R₁是第一电阻R1的值，n是四绕组共模变压器4的增益倒数。

Claims (4)

1、带有反馈有源低通滤波装置的变频器，它包含了三相整流电路(1)、PWM逆变器(2)，它还包含了第五电容(C5)、第六电容(C6)和反馈有源低通滤波器(3)；反馈有源低通滤波器(3)由四绕组共模变压器(4)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第一三极管(T1)、第二三极管(T2)、第一直流电源(Vs1)、第二直流电源(Vs2)组成；工业用三相电源的三个输出端分别连接三相整流电路(1)的三个电源输入端，三相整流电路(1)的一个输出端与第五电容(C5)的一端和PWM逆变器(2)的一个输入端连接，第五电容(C5)的另一端与第六电容(C6)的一端、第一直流电源(Vs1)的负极端、第二直流电源(Vs2)的正极端、第四电阻(R4)的一端和四绕组共模变压器(4)的原边绕组(L1)的非同名端连接，第六电容(C6)的另一端与三相整流电路(1)的另一个输出端和PWM逆变器(2)的另一个输入端连接，PWM逆变器(2)的三个输出端分别与四绕组共模变压器4的副边第一绕组(L21)、副边第二绕组(L22)、副边第三绕组(L23)的同名端连接，四绕组共模变压器(4)的副边第一绕组(L21)的非同名端与第一电容(C1)的一端和三相感应电动机(5)的第一电源端连接，副边第二绕组(L22)的非同名端与第二电容(C2)的一端和三相感应电动机(5)的第二电源端连接，副边第三绕组(L23)的非同名端与第三电容(C3)的一端和三相感应电动机(5)的第三电源端连接，第一电容(C1)的另一端与第一电阻(R1)的一端连接，第二电容(C2)的另一端与第二电阻(R2)的一端连接，第三电容(C3)的另一端与第三电阻(R3)的一端连接，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)的另一端与第一三极管(T1)的基极、第二三极管(T2)的基极和第四电容(C4)的一端连接，第四电容(C4)的另一端与第四电阻(R4)的另一端连接，第一三极管(T1)的集电极与第一直流电源(Vs1)的正极端连接，第一三极管(T1)的发射极与原边绕组(L1)的同名端和第二三极管(T2)的发射极连接，第二三极管(T2)的集电极与第二直流电源(Vs2)的负极端连接；

其特征在于四绕组共模变压器(4)的铁芯(6)是采用非晶合金材料制成的环形或闭合C形，铁芯(6)的有效截面积S由下式确定：

$S=D\&times;C>\frac{\sqrt{L_2\&times;\mathrm{AL}}{\&times;I}_{2\mathrm{com}}}{70\%{\&times;B}_2}$

式中，D是铁芯(6)的环状宽度，C是铁芯(6)的厚度，L₂是四绕组共模变压器(4)的副边第一绕组(L21)、副边第二绕组(L22)、副边第三绕组(L23)的电感值，AL是铁芯(6)的电感因数AL-value(μH/N²)，I_2com是三相感应电动机(5)的共模电流，B_s是铁芯(6)的饱和磁通密度；

铁芯(6)的磁路平均长度l由下式确定：

$l=2\&times;(A+B-2D)=\frac{S{\&times;\mathrm{\&mu;}}_d}{\mathrm{AL}}$

式中，A是铁芯(6)的长度，B是铁芯(6)的宽度，D是铁芯(6)的环状宽度，μ_d是铁芯(6)的导磁率，S是铁芯(6)的有效截面积，AL是铁芯(6)的电感因数AL-value(μH/N²)；

铁芯(6)的长度A、铁芯(6)的宽度B、铁芯(6)的环状宽度D、铁芯(6)的厚度C应满足下式：

N₁×π×(D₁/2)²+N₂×π×(D₂/2)²＜θ×(A-2D)×(B-2D)

式中，N₂是四绕组共模变压器(4)的副边第一绕组(L21)、副边第二绕组(L22)、副边第三绕组(L23)的匝数，N₁是四绕组共模变压器(4)的原边绕组(L1)的匝数，D₂是副边第一绕组(L21)、副边第二绕组(L22)、副边第三绕组(L23)的线径，D₁是原边绕组(L1)的线径，θ是占空系数且一般为70～75％，而上述副边第一绕组(L21)、副边第二绕组(L22)、副边第三绕组(L23)的匝数N₂和原边绕组(L1)的匝数N₁分别由下面两式确定：

$N_2=\sqrt{L_2/\mathrm{AL}},$ N₁＝n×N₂

上式中，L₂是四绕组共模变压器(4)的副边第一绕组(L21)、副边第二绕组(L22)、副边第三绕组(L23)的电感值，AL是铁芯(6)的电感因数AL-value(μH/N²)，n是四绕组共模变压器(4)的增益倒数。

2、据权利要求1所述的带有反馈有源低通滤波装置的变频器，其特征在于四绕组共模变压器(4)的原边绕组(L1)的线径D₁由第一三极管(T1)和第二三极管(T2)输出的电流确定，原边绕组(L1)电感值L₁由下式确定：

$L_1>>\frac{n}{3{\mathrm{\&beta;C}}_1{\left(2{\mathrm{\&pi;f}}_2\right)}^2}$

式中，β为第一三极管(T1)的放大倍数，C₁是第一电容(C1)的值，f_s为功率开关器件的开关频率，n是四绕组共模变压器(4)的增益倒数，而上述四绕组共模变压器(4)的增益倒数n可由下式确定：

$n=\frac{V_{\mathrm{working}}}{V_{\mathrm{dc}}/2}$

式中，V_dc为直流母线电压，V_working为工作电压；

四绕组共模变压器(4)的副边第一绕组(L21)、副边第二绕组(L22)、副边第三绕组(L23)的电感值和线径都相等，副边第一绕组(L21)、副边第二绕组(L22)、副边第三绕组(L23)的线径D₂根据三相感应电动机(5)的额定电流选择，副边第一绕组(L21)、副边第二绕组(L22)、副边第三绕组(L23)的电感值L₂由下式确定：

                       L₂＝L₁/n²

式中，n是四绕组共模变压器(4)的增益倒数，L₁是四绕组共模变压器(4)的原边绕组(L1)电感值。

3、根据权利要求1所述的带有反馈有源低通滤波装置的变频器，其特征在于第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)的值都相同，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)的值都相同，第一电容(C1)的值小于或等于PWM逆变器(2)中功率开关器件的输出电容值，第一电阻(R1)的值由下式确定：

$R_1=2\mathrm{\&zeta;}\sqrt{\frac{3{\mathrm{\&beta;L}}_1}{{\mathrm{nC}}_1}}$

式中，L₁为四绕组共模变压器(4)的原边绕组(L1)的电感值，β为第一三极管(T1)的放大倍数，C₁是第一电容(C1)的值，ζ是比例系数且ζ≥1，n是四绕组共模变压器(4)的增益倒数。

4、据权利要求1所述的带有反馈有源低通滤波装置的变频器，其特征在于第四电容(C4)和第四电阻(R4)的值由下面两式确定：

          R₄＝R₁×n/(3-3n)，C₄＝C₁×(3-3n)/n

其中C₁是第一电容(C1)的值，R₁是第一电阻(R1)的值，n是四绕组共模变压器(4)的增益倒数。

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