CN206077220U

CN206077220U - 一种新型三相pwm变流器输出dudt滤波器

Info

Publication number: CN206077220U
Application number: CN201620704566.7U
Authority: CN
Inventors: 肖文静; 李琼; 吴小田; 于海坤; 胡凡荣; 唐健
Original assignee: Dongfang Electric Corp
Current assignee: Dongfang Electric Corp
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2026-07-06

Abstract

本实用新型涉及一种新型三相PWM变流器输出DUDT滤波器，滤波器的连接端包括第一输入端、第二输入端、第三输入端、第一输出端、第二输出端、第三输出端、第一公共端、第二公共端、第三公共端；二极管包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管；电感包括第一电感、第二电感、第三电感；电容包括第一电容、第二电容、第三电容；电阻包括第一电阻、第二电阻、第三电阻。本实用新型中二极管电路结合电感 L 与 RC 支路形成二阶低通滤波器，可以将 LRC 二阶低通滤波器中电阻上的损耗部分转移到二极管，其优点是既能确保 DUDT 电压尖峰不超过保护值，又能使发热元器件分散，有利于结构设计。

Description

一种新型三相PWM变流器输出DUDT滤波器

技术领域

本实用新型涉及一种滤波器，特别涉及一种新型三相PWM 变流器输出DUDT 滤波器。

背景技术

PWM (Pulse-width modulation)，脉冲宽度调制，是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。PWM 变流器是应用非常广泛的电力电子和控制设备，原理简单，效率很高，可用于交直流电压转换、电机调速、新能源发电、有源滤波、无功补偿、中压变频等多种场合。

DUDT，即 du/dt，电压对时间的微分，用于描述脉冲脉冲电压在跳变处的斜率，电气工程中约定俗称地写作 DUDT 、du/dt 或 DVDT。

在某些应用场中，PWM 变流器与负载的安装位置距离较远，需要通过较长的电缆来连接。一般连接电缆大于 15 米即可称为长线电缆，而在风力发电应用中电缆通常达到100 米以上。由于长线电缆存在较大的分布电感和分布电容，在电机侧会产生行波反射电压，体现在 PWM 变流器的输出脉冲上，就是很高的 DUDT 和尖峰电压。该尖峰电压会导致电机端电压峰值增加，从而使电机绕组绝缘加速老化甚至绝缘击穿；同时 PWM 变流器输出的高共模电压会增大电机涡流损耗，从而影响电机寿命。此外，高 DUDT会增大 PWM 变流器的电磁干扰，影响控制系统的安全运行，甚至危及整个设备系统的安全。

目前市面上有一些 DUDT 滤波器，可以在一定程度上抑制 PWM 变流器的高尖峰电压。然而，根据传输线理论，当 DUDT 滤波器的阻抗与传输电缆阻抗匹配时才能实现良好滤波。由于当前技术水平和施工条件的限制，电缆的铺设较为随意，致使电缆的分布电容和分布电感与理论计算值的误差比较大，导致前期选择的 DUDT 滤波器阻抗无法与电缆阻抗匹配，从而极大地降低了 DUDT 滤波器的滤波效果。

实用新型内容

因为PWM 变流器输出的脉冲波形经过几十至几百米的长线电缆后，脉冲开通和关断瞬间会产生很高的DUDT，电压峰值可达到直流电压的 2~4倍。采用阻抗与长线电缆完全匹配的 LCR 滤波器，可以降低脉冲DUDT，并完全抑制脉冲开通和关断瞬间的电压峰值。但实际应用中电缆寄生阻抗与设计值一般存在差异，阻抗固定的 LCR 滤波器的滤波效果不佳。

本实用新型的目的是克服上述缺陷，提供一种改进的三PWM变流器输出DUDT滤波器，可以适应电缆阻抗的变化，并产生更优的滤波效果。

本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种新型三相 PWM 变流器输出 DUDT 滤波器，所述滤波器的连接端包括第一输入端（Uin）、第二输入端（Vin）、第三输入端（Win）、第一输出端（Uout）、第二输出端（Vout）、第三输出端（Wout）、第一公共端（DCP）、第二公共端（DCN）、第三公共端（N）；二极管包括第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）、第四二极管（D4）、第五二极管（D5）、第六二极管（D6）；电感包括第一电感（L1）、第二电感（L2）、第三电感（L3）；电容包括第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3）；电阻包括第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）；所述第一电感（L1）一端与第一输入端（Uin）相连，另一端与第一输出端（Uout）相连；所述第二电感（L2）一端与第二输入端（Vin）相连，另一端与第二输出端（Vout）相连；所述第三电感（L3）一端与第三输入端（Win）相连，另一端与第三输出端（Wout）相连；所述第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）的正极分别与第一输入端（Uin）、第二输入端（Vin）、第三输入端（Win）相连，负极均与第一公共端（DCP）相连；所述第四二极管（D4）、第五二极管（D5）、第六二极管（D6）的负极分别与第一输入端（Uin）、第二输入端（Vin）、第三输入端（Win）相连，正极均与第二公共端（DCN）相连；所述第一电阻（R1）和第一电容（C1）串联组成RC 支路，再并联于第一输出端（Uout）和第三公共端（N）之间；所述第二电阻（R2）和第二电容（C2）串联组成 RC 支路，再并联于第二输出端（Vout）和第三公共端（N）之间；所述第三电阻（R3）和第三电容（C3）串联组成 RC 支路，再并联于第三输出端（Wout）和第三公共端（N）之间。

进一步的，第一电容（C1）与第一电阻（R1）的位置可以互换；第二电容（C2）与第二电阻（R2）的位置可以互换；第三电容（C3）与第三电阻（R3）的位置可以互换。

进一步的，所述第三公共端（N）可以连接到 PWM 变流器的直流侧中点，也可以连接到三相交流电的中线，也可以连接到外壳或大地，也可以不连接。

进一步的，在PWM 变流器的第一公共端（DCP）和第二公共端（DCN）难以引出的情况下，第一公共端（DCP）和第二公共端（DCN）可以不连接。

进一步的，还包括第四电容（C4）、第五电容（C5）、第六电容（C6）、第一开关（S1）、第二开关（S2）、第三开关（S3）；所述第一开关（S1）和第四电容（C4）串联组成辅助电容支路，再并联于再并联于第一输出端（Uout）和第三公共端（N）之间；所述第二开关（S2）和第五电容（C5）串联组成辅助电容支路，再并联于第二输出端（Vout）和第三公共端（N）之间；所述第三开关（S3）和第六电容（C6）串联组成辅助电容支路，再并联于第三输出端（Wout）和第三公共端（N）之间。

进一步的，第一开关（S1）与第四电容（C4）的位置可以互换；第二开关（S2）与第四电容（C5）的位置可以互换；第三开关（S3）与第四电容（C6）的位置可以互换。

进一步的，并联于第一输出端（Uout）和第三公共端（N）之间的RC支路和辅助电容支路的位置可以互换；并联于第二输出端（Vout）和第三公共端（N）之间的RC支路和辅助电容支路的位置可以互换；并联于第三输出端（Wout）和第三公共端（N）之间的RC支路和辅助电容支路的位置可以互换。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1、电感 L 与 RC 支路形成二阶低通滤波器可以有效抑制 PWM 脉冲的高频分量，从而降低 DUDT，同时利用二极管电路对 DUDT 尖峰电压进行钳位，使其限制在 PWM 变流器的直流侧电压范围内，从而对电机绝缘进行保护；二极管电路结合电感 L 与 RC 支路形成二阶低通滤波器，可以将 LRC 二阶低通滤波器中电阻上的损耗部分转移到二极管，其优点是既能确保 DUDT 电压尖峰不超过保护值，又能使发热元器件分散，有利于结构设计。

2、辅助电容支路的作用是改变 DUDT 滤波器的特性阻抗。采用本实用新型中带辅助电容支路的LRC滤波器，在设计时已经考虑了电缆寄生阻抗的变化范围，可以减缓脉冲电压开通瞬间上升速率和脉冲电压关断瞬间下降速率，降低DUDT，并将脉冲开通和关断瞬间的电压峰值抑制在直流电压的 1.5 倍以内。

3、采用本实用新型中带辅助电容支路和二极管的LRC滤波器，不仅能够降低DUDT，还能利用二极管将脉冲电压峰值钳位在直流电压值附近；由于二极管自身压降和反向恢复振荡的影响，实际能将脉冲开通和关断瞬间的电压峰值抑制在直流电压的 1.2 倍以内。

附图说明

图1为单相 DUDT 滤波器电路。

图2为单相 DUDT 滤波器开关闭合后的等效电路。

图3为单相 DUDT 滤波器开关断开后的等效电路。

图4为单相 DUDT 滤波器二极管不连接的等效电路。

图5为本实用新型的电路拓扑结构

图6为本实用新型的另一种电路拓扑结构。

图7为现有技术的 DUDT滤波器电路。

图8为本实用新型的另一种电路拓扑结构输出脉冲信号的波形。

图9为本实用新型的另一种电路拓扑结构输出脉冲信号经过长线电缆后的波形。

图10为图9中的脉冲信号通过图7所示滤波器后的波形。

图11为图9 中的脉冲信号通过图6所示滤波器后的波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

所述 DUDT 滤波器的单相电路如图 1 所示，包括电感 L 、电容 C、电阻 R、开关S、电容 Cs、二极管 DP、二极管 DN。所述 DUDT 滤波器的连接端包括 PWM 脉冲正输入端Uin、PWM 脉冲负输入端 Nin、PWM 脉冲正输出端 Uout、PWM 脉冲负输出端 Nout、PWM 变流器直流侧正极 DCP 、PWM 变流器直流侧负极 DCN。

所述电感 L 一端与 Uin 相连，另一端与Uout 相连，也可拆分为两个电感，其电感量为 L 的 1/2，其中一个电感位置不变，另一个电感一端与 Nin 相连，另一端与Nout相连。所述电阻 R 和电容 C 串联组成 RC 支路，再并联于Uout 和 Nout 之间，其中 R和 C 的相互位置可以互换。所述开关 S 和电容 Cs 组成辅助电容支路，并联于 Uout 和Nout 之间，其中 S 和 Cs的相互位置可以互换。所述 RC 支路与所述辅助电容支路的相互位置可以互换。所述二极管 DP 正极与Uin 相连，负极与 DCP 相连。所述二极管 DN 负极与 Uin 相连，正极与 DCN 相连。

所述电感 L 与所述 RC 支路形成二阶低通滤波器，是 DUDT 滤波器的常规部分，可以有效抑制 PWM 脉冲的高频分量，从而降低 DUDT。所述辅助电容支路的作用是改变DUDT 滤波器的特性阻抗。由于电缆铺设过程中施工水平的限制，铺设好的电缆特性参数会有较大的差异。在并联电缆的安装中，若并联电缆的间隙增大，各电缆之间的电磁感应降低，电缆的分布电感也会随之增大。此外，电缆离塔筒的距离越远，电缆的分布电容就越小。因此，理想的紧密安装、紧贴塔筒的长线电缆的特性阻抗是最小的；而随着电缆间隙增大、与塔筒距离增大，长线电缆的特性阻抗会随之增加。因此，为了避免电缆的实际特性阻抗与设计值相差太大，导致 DUDT 滤波器的滤波效果太差，可以应用所述辅助电容支路。若实际长线电缆特性阻抗小，则闭合开关 S，其等效电路如图 2 所示；若实际长线电缆特性阻抗大，则断开开关 S，增大 DUDT 滤波器的特性阻抗和滤波频率，其等效电路如图 3 所示。

所述二极管 DP 和 DN 的作用是对 DUDT 尖峰电压进行钳位，使其限制在 PWM变流器的直流侧电压范围内，从而对电机绝缘进行保护。此外，此电路可以将 LRC 二阶低通滤波器中电阻上的损耗部分转移到二极管 DP 和 DN 中，其优点是既能确保 DUDT 电压尖峰不超过保护值，又能使发热元器件分散，有利于结构设计。在 PWM 变流器的直流侧正极 DCP 和负极 DCN难以引出的情况下，所述二极管 DP 和 DN 也可以不连接，其等效电路如图 4 所示。

实际应用中大功率 PWM 变流器都是三相的，图1至图4 中的电路仅用来阐述原理。

新型三相 PWM 变流器输出 DUDT 滤波器的一种电路结构如图 5 所示，所述滤波器的连接端包括第一输入端Uin、第二输入端Vin、第三输入端Win、第一输出端Uout、第二输出端Vout、第三输出端Wout、第一公共端DCP、第二公共端DCN、第三公共端N；二极管包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6；电感包括第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3；电容包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3；电阻包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3；所述第一电感L1一端与第一输入端Uin相连，另一端与第一输出端Uout相连；所述第二电感L2一端与第二输入端 Vin相连，另一端与第二输出端Vout相连；所述第三电感L3一端与第三输入端Win相连，另一端与第三输出端Wout相连；所述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3的正极分别与第一输入端Uin、第二输入端Vin、第三输入端Win相连，负极均与第一公共端DCP相连；所述第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6的负极分别与第一输入端Uin、第二输入端Vin、第三输入端Win相连，正极均与第二公共端DCN相连；所述第一电阻R1和第一电容C1串联组成RC 支路，再并联于第一输出端Uout和第三公共端N之间；所述第二电阻R2和第二电容C2串联组成 RC 支路，再并联于第二输出端Vout和第三公共端N之间；所述第三电阻R3和第三电容C3串联组成 RC 支路，再并联于第三输出端Wout和第三公共端N之间。

新型三相 PWM 变流器输出 DUDT 滤波器的另一种电路结构如图6所示，所述滤波器的连接端包括第一输入端Uin、第二输入端Vin、第三输入端Win、第一输出端Uout、第二输出端Vout、第三输出端Wout、第一公共端DCP、第二公共端DCN、第三公共端N；二极管包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6；电感包括第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3；电容包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6；电阻包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3；开关包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3；所述第一电感L1一端与第一输入端Uin相连，另一端与第一输出端Uout相连；所述第二电感L2一端与第二输入端 Vin相连，另一端与第二输出端Vout相连；所述第三电感L3一端与第三输入端Win相连，另一端与第三输出端Wout相连；所述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3的正极分别与第一输入端Uin、第二输入端Vin、第三输入端Win相连，负极均与第一公共端DCP相连；所述第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6的负极分别与第一输入端Uin、第二输入端Vin、第三输入端Win相连，正极均与第二公共端DCN相连；所述第一电阻R1和第一电容C1串联组成RC 支路，再并联于第一输出端Uout和第三公共端N之间；所述第二电阻R2和第二电容C2串联组成 RC 支路，再并联于第二输出端Vout和第三公共端N之间；所述第三电阻R3和第三电容C3串联组成RC支路，再并联于第三输出端Wout和第三公共端N之间；所述第一开关S1和第四电容C4串联组成辅助电容支路，再并联于再并联于第一输出端Uout和第三公共端N之间；所述第二开关S2和第五电容C5串联组成辅助电容支路，再并联于第二输出端Vout和第三公共端N之间；所述第三开关S3和第六电容C6串联组成辅助电容支路，再并联于第三输出端Wout和第三公共端N之间。

以上两种结构中，第一电容C1与第一电阻R1的位置可以互换；第二电容C2与第二电阻R2的位置可以互换；第三电容（C3）与第三电阻（R3）的位置可以互换。

第一开关S1与第四电容C4的位置可以互换；第二开关S2与第四电容C5的位置可以互换；第三开关S3与第四电容C6的位置可以互换。

并联于第一输出端Uout和第三公共端N之间的RC支路和辅助电容支路的位置可以互换；并联于第二输出端Vout和第三公共端N之间的RC支路和辅助电容支路的位置可以互换；并联于第三输出端Wout和第三公共端N之间的RC支路和辅助电容支路的位置可以互换。

所述第三公共端N可以连接到 PWM 变流器的直流侧中点，也可以连接到三相交流电的中线，也可以连接到外壳或大地，也可以不连接。

在PWM 变流器的第一公共端DCP和第二公共端DCN难以引出的情况下，第一公共端DCP和第二公共端DCN可以不连接。

三相 DUDT 滤波器的工作原理与单相滤波器相同，所述电感 L与所述 RC 支路形成二阶低通滤波器，是 DUDT 滤波器的常规部分，可以有效抑制 PWM 脉冲的高频分量，从而降低 DUDT。所述辅助电容支路的作用是改变 DUDT 滤波器的特性阻抗，以适应电缆特性阻抗的变化。所述二极管 D1~D6的作用是对 DUDT 尖峰电压进行钳位，使其限制在 PWM变流器的直流侧电压范围内，从而对电机绝缘进行保护。此外，此电路可以将二阶低通滤波器中电阻上的损耗部分转移到二极管 D1~D6 中，使发热元器件分散，有利于结构设计。

图 8为本实用新型的另一种电路拓扑结构输出脉冲信号的波形。图9 为本实用新型的另一种电路拓扑结构输出脉冲信号经过长线电缆后的波形，即经过 100 米长线电缆后的 U 相脉冲波形，可见 DUDT 和电压尖峰很大。图 10为加入市面上现有的 DUDT 滤波器后，得到的 U 相脉冲波形，该DUDT 滤波器的电路结构如图 7所示。图 11为图9 中的脉冲信号通过图6所示滤波器后的波形，即得到的 U 相脉冲波形，可见 DUDT 和电压尖峰得到了很好的抑制。

本例所用电缆为单芯电缆，截面积 185 mm²，采用 6 根并联，长度为 120 米。希望电机端的电压尖峰值小于 1.2 倍 PWM 脉冲电压。

理想情况下，单根电缆的分布电感为 108μH/km。考虑到电磁兼容的影响，当 6 根电缆紧密排布时，实际分布电感约为单根电缆的 0.5 倍，即 54 μH/km。电缆紧贴金属外壳（大地）时，单根电缆的分布电容为 0.23μF/km，6根并联电缆的分布电容为单根电缆的 6倍，即1.38μF/km。电缆的特性阻抗 Z0 = (L₀/C₀)^1/2 = 6.2 欧姆。

PWM 变流器的输出电感为 10μH，可直接利用作为 DUDT 滤波器的电感，则电容C1 ~ C3 应取为0.26μF，电阻 R1 ~ R3 应取为 6.2欧姆。可计算出滤波器的特性阻抗 Z0’= (L0/C0)^1/2 = 6.2 欧姆。与电缆的特性阻抗匹配。

然而，由于施工水平的限制，实际电缆很难紧密安装。实际电缆安装间距约为电缆直径的一半，与金属外壳的距离约为电缆直径的一倍。通过仿真和计算可以得出实际电缆的分布电感约为 80μH/km，分布电容约为 0.42μF/km。电缆的特性阻抗 Z0 = (L₀/C₀)^1/2 =13.8 欧姆。PWM 变流器的输出电感为 10μH，可直接利用作为 DUDT 滤波器的电感，则电容C1~C3 应取为0.052μF，电阻应取为 13.8 欧姆。

根据本实用新型设计 DUDT 滤波器，实际选择电感 L1~L3 均取为 10μH，电容 C1~C3 均取为 0.05μF，电容 C4~C6 均取为 0.22μF，电阻 R1~R3 均取为 14 欧姆，二极管D1~D6 的型号根据变流器电压和电流选择。在实际应用中，若电缆施工工艺水平高、电缆特性阻抗小，则合上开关 S1~S3，降低二阶滤波器的谐振频率和特性阻抗；若电缆施工工艺水平低、电缆特性阻抗大，则端口开关 S1~S3，增大二阶滤波器的谐振频率和特性阻抗。

通过本实施例可知，实际选用的滤波器元器件简单、滤波效果好、滤波器适应能力强，是一种非常有效且成本很低的方法。

对于具体实施方式的理解的描述仅仅是为帮助理解本实用新型，而不是用来限制本实用新型的。本领域技术人员均可以利用本实用新型的思想进行一些改动和变化，只要其技术手段没有脱离本实用新型的思想和要点，仍然在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种新型三相PWM变流器输出DUDT滤波器，其特征在于：所述滤波器的连接端包括第一输入端（Uin）、第二输入端（Vin）、第三输入端（Win）、第一输出端（Uout）、第二输出端（Vout）、第三输出端（Wout）、第一公共端（DCP）、第二公共端（DCN）、第三公共端（N）；二极管包括第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）、第四二极管（D4）、第五二极管（D5）、第六二极管（D6）；电感包括第一电感（L1）、第二电感（L2）、第三电感（L3）；电容包括第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3）；电阻包括第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）；所述第一电感（L1）一端与第一输入端（Uin）相连，另一端与第一输出端（Uout）相连；所述第二电感（L2）一端与第二输入端（Vin）相连，另一端与第二输出端（Vout）相连；所述第三电感（L3）一端与第三输入端（Win）相连，另一端与第三输出端（Wout）相连；所述第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）的正极分别与第一输入端（Uin）、第二输入端（Vin）、第三输入端（Win）相连，负极均与第一公共端（DCP）相连；所述第四二极管（D4）、第五二极管（D5）、第六二极管（D6）的负极分别与第一输入端（Uin）、第二输入端（Vin）、第三输入端（Win）相连，正极均与第二公共端（DCN）相连；所述第一电阻（R1）和第一电容（C1）串联组成RC 支路，再并联于第一输出端（Uout）和第三公共端（N）之间；所述第二电阻（R2）和第二电容（C2）串联组成 RC 支路，再并联于第二输出端（Vout）和第三公共端（N）之间；所述第三电阻（R3）和第三电容（C3）串联组成 RC 支路，再并联于第三输出端（Wout）和第三公共端（N）之间。

2.根据权利要求1 所述的一种新型三相PWM 变流器输出 DUDT 滤波器，其特征在于：第一电容（C1）与第一电阻（R1）的位置可以互换；第二电容（C2）与第二电阻（R2）的位置可以互换；第三电容（C3）与第三电阻（R3）的位置可以互换。

3.根据权利要求1 所述的一种新型三相PWM 变流器输出 DUDT 滤波器，其特征在于：所述第三公共端（N）可以连接到 PWM 变流器的直流侧中点，也可以连接到三相交流电的中线，也可以连接到外壳或大地，也可以不连接。