CN202042906U

CN202042906U - 电压尖峰滤波器

Info

Publication number: CN202042906U
Application number: CN2011201735350U
Authority: CN
Inventors: 林贤聪
Original assignee: ABB Beijing Drive Systems Co Ltd
Current assignee: ABB Beijing Drive Systems Co Ltd
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2021-05-13

Abstract

本实用新型公开了一种电压尖峰滤波器，以解决现有的由变频器驱动的电机或发电机产生过电压尖峰破坏电机或发电机绝缘的技术问题。本实用新型所述的电压尖峰滤波器，并联在电机或发电机端子之上，包括三相整流桥、滤波电容和滤波电阻，三相整流桥的输入端分别与三相电源的U端、V端、W端相连，滤波电容和滤波电阻以并联的方式与三相整流桥的输出端相连。本实用新型的电压尖峰滤波器，具有如下有益技术效果：通过同样的阻容参数组同时降低差模电压尖峰和共模电压尖峰，差模电压尖峰和共模电压尖峰都将被削减到相同的水平，且阻容回路任何参数的改变都会使差模电压尖峰和共模电压尖峰产生同样的变化趋势。

Description

电压尖峰滤波器

技术领域

本实用新型涉及一种用于由变频器驱动的电机或发电机的电压尖峰滤波器，该电机或发电机通过长的传输电缆/母排连接到变频器。

背景技术

在理想的传输电缆条件下，变频器输出的脉冲波形在经过长电缆传输到电机或发电机之后，将维持其初始波形。但由于实际系统中感性元件和容性元件的存在，例如用于降低电压变化率水平的输出电抗器及相关的电容器，以及电缆和电机(或发电机)的电感及漏电容等，变频器的输出脉冲将发生振荡，从而在电机或发电机的接线端子上产生过电压尖峰；如果电缆的阻抗和电机/发电机的阻抗不匹配，由此产生的电压尖峰会很高，从而损坏电机/发电机绕组的绝缘。

具体地，如图2所示，当变频器的输出脉冲Uph经由图1所示的电机电缆等效回路时，将产生如图3所示的电压波形畸变Ut；由于长电缆电压反射现象的存在，如果电缆参数Lc、Rc、Cc与电机参数Lm、Rm、Cm存在很大的差异，例如185平方毫米线径的100米电缆电感Lc约为0.023mH/km，而1.5MW电机的电感却能达到1.5mH，该电压畸变将被叠加，从而在电机端子上产生很高的过电压尖峰，即为差模电压尖峰。该过电压尖峰在电机内部等效RLC回路再次发生振荡，从而在电机内部漏电容上产生很高的电压尖峰，严重威胁电机的绝缘安全。

图4-5示出了共模电压尖峰的示意图，该电路没有直接的闭合回路，但由于导线的电磁耦合效应使得分布电容的作用非常突出，尤其是在PWM系统的调制方式下。

在变频器输出系统中，如图1所示，Cc不仅可以表示相电缆之间的漏电容，同时也可以表示相电缆和地电缆之间的漏电容。因此共模电压Ucom＝(Uu+Uv+Uw)/3，即共模电压的大小等于变频器输出三相的电压波形输出的矢量和；如图2所示，由于变频器输出脉冲发生畸变而产生了电压尖峰，因而共模电压也同样会产生尖峰。

现有技术中，解决上述电压尖峰的方案主要有：

1、在电机接线端子上加装阻容滤波器(如图6所示)：当图3所述的输出脉冲到达U、V相电机端子时，差模电压尖峰即开始给U、V相电容Cuv和Cvw充电，直至达到电压平衡，充电过程截止；当变频器输出电压反向时，即图3所示的电压波形为负，则Cuv和Cvw需要先完全放电，然后才能反方向充电直到电压平衡。为满足快速充放电的需求，RC滤波器的参数都将选取较小的值，而较小的电阻Ruv、Rvw、Rwu将产生较大的充电电流，从而导致较大的滤波器功耗。

在图6中，RC滤波器在滤除共模电压尖峰时，只使用单相阻容参数组，如Cuv和Ruv；在滤除差模电压尖峰时，则使用了两相阻容参数组串联，如Cuv和Ruv、Cvw和Rvw。因此该滤波器在削减峰值电压对差模电压和共模电压的削减效果有较大的差别，削减后的差模电压尖峰和共模电压尖峰也会存在很大的不同。

图6中的RC滤波器并入系统时，其阻容参数将改变变频器输出脉冲的振荡频率，在特定情况下，可能引发电机系统的谐振，从而导致电机系统的误操作。

综上所述，上述RC滤波器具有如下缺点：第一，当阻容滤波器连接到电机/发电机端子时，传动侧的电机/发电机模型参数会发生改变，这意味着每当阻容滤波器连接到系统或从系统中断开时，变频器都需要对电机/发电机参数进行辨识，否则电机的控制可能引发预期外的工作状态，例如电磁振荡；第二，阻容滤波器会导致高耗能，并且该种滤波器在削减差模电压尖峰和共模电压尖峰时的性能差异难以平衡。

2、使用RLC(电阻-电感-电容)滤波器来降低变频器输出的电压变化率(如图7所示)：将RLC滤波器串接到变频器输出与电机之间，当电机容量较大时，例如兆瓦级电机，其驱动电流可达1000A以上，电感L上的等效电阻Ru、Rv、Rw上的功耗P正比于电流的平方值，因而功率越高，滤波器产生的功耗就越大。

实用新型内容

本实用新型公开了一种电压尖峰滤波器，以解决现有的由变频器驱动的电机或发电机产生过电压尖峰破坏电机或发电机绝缘的技术问题。

本实用新型所述的电压尖峰滤波器，并联在电机或发电机端子之上，包括三相整流桥、滤波电容和滤波电阻，三相整流桥的输入端分别与三相电源的U端、V端、W端相连，滤波电容和滤波电阻分别以并联的方式与三相整流桥的输出端相连。

在上述技术方案中，电压尖峰滤波器还可以包括由共模二极管组成的第四整流桥臂，第四整流桥臂与三相整流桥共同构成四相整流桥，第四整流桥臂的输入端与接地端Gnd相连，滤波电容和滤波电阻分别以并联的方式与四相整流桥的输出端相连。

在上述技术方案中，三相整流桥可以由多个整流二极管组成。

在上述技术方案中，滤波电容的取值可以为0.01μF-50μF，滤波电阻的取值可以为0.1kΩ-100kΩ。

在上述技术方案中，三相整流桥的输入端分别可以串联有熔断器。

在上述技术方案中，四相整流桥的输入端分别可以串联有熔断器。

在上述技术方案中，电压尖峰滤波器还包括可控元器件，可控元器件与滤波电阻串联。

在上述技术方案中，可控元器件可以为绝缘栅双极型晶体管。

本实用新型的电压尖峰滤波器，具有如下有益技术效果：

(1)由于通过四相整流桥与主回路隔开，因此电压尖峰滤波器的接入、断开或者滤波器内部参数的改变均不会改变电机/发电机的模型参数；因此，变频器不需要通过辨识过程重新计算电机/发电机的模型参数，且不会在实际系统中引发如电磁振荡等预期外的工作状态。

(2)通过同样的阻容参数组同时降低差模电压尖峰和共模电压尖峰，差模电压尖峰和共模电压尖峰都将被削减到相同的水平，且阻容回路任何参数的改变都会使差模电压尖峰和共模电压尖峰产生同样的变化趋势。

(3)本实用新型的电压尖峰滤波器，只削减超出滤波电容Cf电压水平的过电压尖峰，具有较低功耗；滤波电容Cf上的电压通过对变频器输出的整流以及相对地电压的整流而得到的，因此，该电压水平比变频器的直流电压要高；而且，与现有的阻容滤波器不同的是，滤波电容Cf在每个周期内不会完全放电，因此，本实用新型的电压尖峰滤波器的功耗比现有的阻容滤波器要低很多。

附图说明

图1是现有技术中电机电缆系统的单相等效电路示意图，其中Lc、Rc、Cc分别表示电缆的电感、电阻及漏电容，Lm、Rm、Cm分别表示电机的等效单相电感、电阻及漏电容；

图2是现有技术中变频器斩波输出脉冲Uph的示意图，该脉冲Uph施加在电机两相之间，如U相与V相之间；

图3是图2中的输出脉冲Uph产生的差模电压尖峰示意图，该输出脉冲经长电缆传输后产生波形畸变Ut，波形畸变Ut的上升沿及下降沿由于线缆电感及漏电容的存在产生了谐振，形成了差模电压尖峰；

图4为现有技术中变频器的输出高频脉冲在电缆对地漏电容上产生的浮地共模电压示意图；

图5为图4中的共模电压尖峰示意图；

图6是现有技术中RC滤波器的结构示意图；

图7是现有技术中RLC滤波器的结构示意图；

图8是本实用新型电压尖峰滤波器的电路结构示意图；

图9是连入本实用新型的电压尖峰滤波器前后、电缆漏电容Cc上的电压曲线变化及滤波电容Cf上直流电压波形的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的几个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图8所示，本实用新型的电压尖峰滤波器并联在电机/发电机端子之上，整流二极管D1-D6构成三相整流桥，该三相整流桥的三个输入端分别与三相电源的U端、V端、W端相连，滤波电容Cf和滤波电阻Rf分别以并联的方式与三相整流桥的三个输出端相连。

同时，本实用新型的电压尖峰滤波器还包括两个共模二极管D7和D8，共模二极管D7和D8组成第四整流桥臂，第四整流桥臂与三相整流桥组成四相整流桥，四相整流桥中的三相整流桥(D1-D6)的输入端分别与三相电源的U端、V端、W端相连，第四整流桥臂(D7和D8)的输入端与接地端Gnd相连，滤波电容Cf和滤波电阻Rf分别以并联的方式与四相整流桥的四个输出端相连。

需要说明的是，二极管D7和D8为共模二极管，共模二极管即为共模电压整流二极管的简称，本领域技术人员应能理解，共模二极管与整流二极管完全相同。

本实用新型的电压尖峰滤波器，在被施以差模电压尖峰时，通过三相整流桥(整流二极管D1-D6)进行整流，并由滤波电容Cf吸收，滤波电容Cf上的能量最终通过滤波电阻Rf消耗掉；在被施以共模电压尖峰时，共模电压尖峰将产生一个电流，该电流流经四相整流桥(整流二极管D1-D6、共模二极管D7、D8)，共模电压尖峰的能量也由滤波电容Cf吸收，滤波电容Cf上的能量最终通过滤波电阻Rf消耗掉。

下面分别以图2-3、图4-5为例分别详细介绍本实用新型的电压尖峰滤波器在被施加差模电压尖峰和共模电压尖峰的工作原理：

被施加差模电压尖峰时三相整流桥的工作原理：假设图3所示的差模电压尖峰被施加在电机的U、V相之间，电机接线端子上接入本实用新型的电压尖峰滤波器，当电压Ut超过滤波电容Cf的端电压Uf0时，该电压Ut使整流二极管D1和D4导通，并对滤波电容Cf进行充电，从而将导致电缆漏电容Cc上电压上升的一部分能量释放到滤波电容Cf上，以此来降低电容Cc上的电压尖峰，如图9所示。当电容Cc和Cf的电压均达到Uft时，由于之后Cc上的电压Ut低于Cf上的电压Uf，因此整流二极管D1和D4停止工作，Cf上的能量也不能反馈回Cc上，只能按照滤波器RC回路的时间常数特性T＝RC进行放电直至下一个脉冲波形的到来，从而将Cc上的电压有效抑制在Uft之下。根据能量守恒定律，原促使Cc电容电压上升的能量被Cc和Cf同时吸收，其电压上升速度会减慢，且峰值降低，从而完成了本电压尖峰滤波器的差模电压尖峰的削减过程。

被施加共模电压尖峰的工作原理：假设图5所示的共模电压尖峰被施加在电机的U相和Gnd端时，二极管D1和D8导通使Cf开始充电，充电过程与上述差模电压尖峰的削减过程类似。

同理，当差模电压尖峰和共模电压尖峰同时被施加到本实用新型的电压尖峰滤波器时，例如，当图3所述的差模电压尖峰和图5所述的共模电压尖峰同时被施加在本实用新型的电压尖峰滤波器的U端、V端、Gnd端，二极管D1、D4、D8同时导通，Cf同时吸收共模电压尖峰及差模电压尖峰的能量，有效削减差模电压尖峰或共模电压尖峰，具体充电过程与上述差模电压削减过程类似。

在实际的变频器和电机/发电机系统中，在本实用新型的电压尖峰滤波器未接入系统时，差模电压尖峰Ut能够达到1600V，共模电压尖峰可达1450V，而将本电压尖峰滤波器接入系统后，差模电压尖峰和共模电压尖峰都能被削减到1380V以下，从而满足生产实际中对尖峰电压小于1400V的要求。此时，电压尖峰滤波器的滤波电容的取值为0.01μF＜＝Cf＜＝50μF，所述滤波电阻的取值为0.1kΩ＜＝Rf＜＝100kΩ；其中，电压尖峰滤波器的实际元器件及参数取决于电机的类型、功率及电缆参数及长度等因素，但每个电压尖峰滤波器的结构相同。

由于整流桥的反向阻断特性，因而滤波电容Cf的放电过程完全由电压尖峰滤波器内部RC回路的参数Rf和Cf决定，即V(t)＝Uft(1-exp(-t/RfCf))。因此，当Rf和Cf增大时，由于时间常数Tf＝RfCf增大，因此放电过程放缓；换句话说，在下一个脉冲到来时，无论该脉冲是差模电压尖峰还是共模电压尖峰，Cf上的初始电压Uf0都将被抬高，当从Cc上吸收同样能量的情况下，差模或共模电压尖峰Uft也将相应增加；同理，当Rf和Cf减小时，差模或共模电压尖峰Uft也将随之减小。综上所述，通过改变Rf和Cf的值，可以加速或放缓Cf的放电速度，因此选择合适的参数组可以防止滤波电容Cf上的电压下降过低。

当差模电压尖峰和共模电压尖峰同时到达时，本电压尖峰滤波器吸收的能量Pf＝Pd+Pc＝Cf(Uft-Uf0)/2，其中，Pd为差模电压尖峰被吸收的能量，Pc为共模电压尖峰被吸收的能量。从上式可以看出，电压的变化率(Uft-Uf0)比单独的差模电压尖峰或共模电压尖峰吸收能量的变化率要大，即图9中滤波电容Cf的电压上升曲线具有较大的斜率，因此到达新平衡点的时间较短。根据图9中波形图的对比可知，新平衡点电压大于单个差模电压尖峰或共模电压尖峰到达时的平衡电压Uft，该平衡电压Uft也为共模电压尖峰或差模电压尖峰的最大值。因此，在接入本电压尖峰滤波器后，共模电压和差模电压削减后的最大尖峰电压水平相近。

本领域的技术人员应该了解，变频器输出的差模电压经过三相整流桥整流后在Cf上可以获得与变频器直流电压相等的差模直流电压。在本电压尖峰滤波器中，由于第四整流桥臂(D7和D8)的存在，使得U、V、W三个相线上的共模电压尖峰的能量都可以通过滤波电容Cf来吸收，这些能量经过整流后形成与Cf上的差模直流电压同方向的共模直流电压，该差模直流电压和共模直流电压叠加之后形成Cf上的直流电压波形Uf，如图3所示。因此，通过选择合适的Rf和Cf参数，可以使Cf上的直流电压Uf0高于变频器的直流电压Udc，从而减少本电压尖峰滤波器对正常脉冲能量的吸收，降低电压尖峰滤波器本身的损耗。

需要说明的是，图9中的Udc为变频器的直流电压水平，也即为图2中Uph的脉冲幅值。

如图8所示，在三相整流桥或四相整流桥的输入端还串联有熔断器、熔断指示配件或对电阻温度进行监控的温度控制传感器，该部件可以连接到电机系统中作为故障报警等指示信号。

如背景技术中描述的RC滤波器，图3中的差模电压尖峰到达U、V相电机端子，为了满足快速充电的要求，RC滤波器的参数将选取较小值，导致滤波器较大的功耗。图8所示的本实用新型的电压尖峰滤波器在U、V相电压发生反向时，只是导通不同的二极管桥臂，例如由D1、D4变成D2、D3，滤波电容Cf的充电电流方向不发生改变，从而避免了电容Cf完全充放电引起的高功耗。

需要说明的是，本实用新型的电压尖峰滤波器还可以包括对放电过程进行主动控制以降低更多的滤波器功耗的器件；亦即，诸如绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)之类的可控元器件能够被串联到滤波电阻Rf上以避免滤波电容Cf的电压下降的过低。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是，本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种电压尖峰滤波器，并联在电机或发电机端子之上，其特征在于，包括三相整流桥、滤波电容和滤波电阻，所述三相整流桥的输入端分别与三相电源的U端、V端、W端相连，所述滤波电容和滤波电阻分别以并联的方式与所述三相整流桥的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的电压尖峰滤波器，其特征在于，还包括由共模二极管组成的第四整流桥臂，所述第四整流桥臂与所述三相整流桥共同构成四相整流桥，所述第四整流桥臂的输入端与接地端Gnd相连，所述滤波电容和滤波电阻分别以并联的方式与所述四相整流桥的输出端相连。

3.根据权利要求1或2所述的电压尖峰滤波器，其特征在于，所述三相整流桥由多个整流二极管组成。

4.根据权利要求1或2所述的电压尖峰滤波器，其特征在于，所述滤波电容的取值为0.01μF-50μF，所述滤波电阻的取值为0.1kΩ-100kΩ。

5.根据权利要求1所述的电压尖峰滤波器，其特征在于，所述三相整流桥的输入端分别串联有熔断器。

6.根据权利要求2所述的电压尖峰滤波器，其特征在于，所述四相整流桥的输入端分别串联有熔断器。

7.根据权利要求1或2所述的电压尖峰滤波器，其特征在于，还包括可控元器件，所述可控元器件与所述滤波电阻串联。

8.根据权利要求7所述的电压尖峰滤波器，其特征在于，所述可控元器件为绝缘栅双极型晶体管。