TWI477071B - 濾波電抗級及應用該濾波電抗級之變頻驅動系統 - Google Patents

Description

濾波電抗級及應用該濾波電抗級之變頻驅動系統

本揭示內容係關於一種濾波電抗器，且特別係關於一種應用於變頻驅動系統中的濾波電抗器。

在電動機械或感應馬達的控制當中，馬達的速度調節是一個重要的課題，習知的電動機械中採用之傳統直流調速技術，因硬體體積大且故障率高而使其應用受限。
變頻器(Variable-frequency Drive, VFD)，係應用變頻技術與電子主動元件技術，通過改變傳自輸入端之工作電源的頻率和振幅的方式，以控制交流電動機的輸出。
變頻器的作用是改變供予感應馬達之交流電源的頻率和振幅，進一步改變其運動磁場的周期，達到平滑控制感應馬達轉速的目的。變頻器的出現，使得複雜的調速控制簡單化，用變頻器配合交流式感應電動機組合替代了大部分原先只能用直流電機完成的工作，使得電路系統得以縮小體積並降低維修率。
習知的一種變頻器通常包括整流器以及逆變器，在其間的訊號傳遞時可能存在電流漣波雜訊，常見的作法是在單邊的直流臂上設置一電感，以濾除電流漣波雜訊。然而，變頻器運作時在兩直流臂上將產生共模電流由整流器流向逆變器，共模電流將對於實際操作時將產生不必要的電磁干擾(Electromagnetic interference, EMI)。傳統的共模電流解決方法，是在兩直流臂上皆分別設置電感器來降低共模電流，進而抑制電磁干擾。然而，傳統做法中的電感器對共模電流的抑制效果有限。

為解決上述問題，於一較佳實施例中，本發明之目的在提供一種濾波電抗結構及應用該濾波電抗結構之變頻驅動系統，其中，該濾波電抗結構係可產生足夠的共模電感以抑制共模電流並形成可調整的差模電感，以降低濾波電抗的能量損耗。
本發明之一較佳實施例中的濾波電抗結構具有三組繞線組，其中兩組繞線組耦接於變頻驅動系統之一直流臂上且分別纏繞於磁芯模組的兩側邊柱，另一組繞線組耦接於變頻驅動系統之另一直流臂上且纏繞於磁芯模組的中柱上。於共模狀態下，三繞線組的磁通量相互累加；於差模狀態下，邊柱上的兩繞線組與中柱上繞線組的磁通量相互抵消。藉此，三繞線組可提供足夠的共模電感以抑制共模電流，並形成較小差模電感，以降低濾波電抗的能量損耗。
於一較佳實施例中，本發明提供一種變頻驅動系統，其與一三相電網耦接，該變頻驅動系統包括整流輸入級、逆變輸出級以及濾波電抗級。整流輸入級與該三相電網耦接。濾波電抗級耦接於該整流輸入級與該逆變輸出級之間，該濾波電抗級包括磁芯模組、第一繞線組、第二繞線組以及第三繞線組。磁芯模組包括中柱、第一邊柱以及第二邊柱。該第一繞線組纏繞於該第一邊柱上，該第二繞線組纏繞於該第二邊柱上，且該第一繞線組與該第二繞線組係串接於該整流輸入級與該逆變輸出級間之第一直流臂。第三繞線組纏繞於該中柱，且該第三繞線組之兩端串接於該整流輸入級與該逆變輸出級間之一第二直流臂上。
於一較佳實施例中，該整流輸入級用以將傳自該三相電網之具有固定工作頻率之一交流輸入電壓轉換為一直流電壓，該逆變輸出級用以將該直流電壓轉換為具有可變頻率之一交流輸出電壓，該交流輸出電壓用以驅動一外部負載。
於一較佳實施例中，該磁芯模組中該中柱、該第一邊柱以及該第二邊柱大致平行，且該第一邊柱以及該第二邊柱位於該中柱之兩側。
於一較佳實施例中，於一差模狀態下該第一繞線組與該第二繞線組所產生之磁通量同向，且與該第三繞線組所產生之磁通量反向抵消。於此實施例中，差模狀態下該第一直流臂與該第二直流臂上之差模電流方向相反。
於一較佳實施例中，於一共模狀態下該第一繞線組、該第二繞線組以及該第三繞線組所產生之磁通量同向。於此實施例中，共模狀態下該第一直流臂與該第二直流臂上之共模電流方向相同，且由該整流輸入級流向該逆變輸出級。
於一較佳實施例中，該磁芯模組係為EI組合型磁芯、EE組合型磁芯中之任一者。
於一較佳實施例中，本發明更提供一種濾波電抗級，耦接一整流輸入級與一逆變輸出級之間，該濾波電抗級包括磁芯模組、第一繞線組、第二繞線組以及第三繞線組。磁芯模組包括一中柱、一第一邊柱以及一第二邊柱。該第一繞線組係纏繞於該第一邊柱，該第二繞線組係纏繞於該第二邊柱，且該第一繞線組與該第二繞線組係串接於該整流輸入級與該逆變輸出級間之一第一直流臂上。第三繞線組纏繞於該中柱，且該第三繞線組係串接於該整流輸入級與該逆變輸出級間之一第二直流臂上。
於一較佳實施例中，該磁芯模組中該中柱、該第一邊柱以及該第二邊柱大致平行，且該第一邊柱以及該第二邊柱位於該中柱之兩側。
於一較佳實施例中，於一差模狀態下該第一繞線組與該第二繞線組所產生之磁通量同向，且與該第三繞線組所產生之磁通量反向抵消。差模狀態下該第一直流臂與該第二直流臂上之差模電流方向相反。
於一較佳實施例中，於一共模狀態下該第一繞線組、該第二繞線組以及該第三繞線組所產生之磁通量同向。共模狀態下該第一直流臂與該第二直流臂上之共模電流方向相同，且由該整流輸入級流向該逆變輸出級。

請參閱第1圖，其繪示係本發明之一較佳實施例中之一種變頻驅動(Variable-frequency Drive, VFD)系統100的功能方塊圖。如第1圖所示，變頻驅動系統100包括整流輸入級120、逆變輸出級140以及濾波電抗級160。
於此較佳實施例中，變頻驅動系統100可由三相電網200接收具有固定工作頻率之交流輸入電壓，並調整交流輸入電壓的頻率和幅值，再利用調整過的交流輸出電壓驅動外部的電動機負載220(如感應電動機)，如此一來，便可平滑地控制電動機負載220的轉速。
承上所述，整流輸入級120係電性連接三相電網200。整流輸入級120用以將傳自三相電網200具有固定工作頻率之交流輸入電壓轉換為直流輸入電壓，逆變輸出級140用以將直流輸入電壓轉換成具有可變頻率之交流輸出電壓，該交流輸出電壓用以驅動電動機負載220。
須特別說明的是，於此較佳實施例中，在整流輸入級120與逆變輸出級140之間耦接有濾波電抗級160，濾波電抗級160可用以濾除直流電流漣波雜訊以及電磁干擾(Electromagnetic interference, EMI)，並確保整流輸入級120與逆變輸出級140之間的電性訊號傳遞品質，於此較佳實施例中，濾波電抗級160 形成可調整的差模電感與共模電感，差模電感可用來阻隔直流電流漣波雜訊，共模電感則可用來降低電磁干擾。
請一併參閱第2圖，其繪示根據本發明之一較佳實施例中變頻驅動系統100的電路示意圖。如第2圖所示，整流輸入級120與逆變輸出級140之間透過第一直流臂D1與第二直流臂D2電性連接。
於差模狀態下，差模電流Id沿第一直流臂D1由整流輸入級120流向逆變輸出級140，並沿第二直流臂D2由逆變輸出級140流向整流輸入級120。第一直流臂D1與第二直流臂D2上的差模電流流向相反。
於共模狀態下，一部份的共模電流Ic1沿第一直流臂D1由整流輸入級120流向逆變輸出級140，而另一部份的共模電流Ic2沿第二直流臂D2由整流輸入級120流向逆變輸出級140。第一直流臂D1與第二直流臂D2上的共模電流流向相同。
請一併參閱第3圖，其繪示根據本發明之一較佳實施例中濾波電抗級160的示意圖。濾波電抗級160包括磁芯模組162、第一繞線組W1、第二繞線組W2以及第三繞線組W3。其中，磁芯模組162包括中柱168、第一邊柱164以及第二邊柱166。
如第3圖所示，磁芯模組162的中柱168、第一邊柱164以及第二邊柱166大致平行，且第一邊柱166以及第二邊柱168係位於中柱166之兩側。
於此較佳實施例中，磁芯模組162可包括兩個磁芯組件162a與162b，其中磁芯組件162a與162b分別為E型磁芯與I型磁芯。也就是說，於本較佳實施例中，磁芯模組162係採用由E型與I型的磁芯組件162a與162b組合而成的EI組合型磁芯。其中，E型磁芯組件162a的三臂與I型的磁芯組件162b之間可間隔相同間隙(gap)，在間隙設置與磁性調校上較容易。
需特別說明的是，本發明的磁芯模組162並不以EI組合型磁芯為限，於其他較佳實施例中，磁芯模組162亦可為EE組合型磁芯或其他具等效性的各種磁芯。
第一繞線組W1纏繞於第一邊柱164上，且第一繞線組W1之兩端耦接於整流輸入級120與逆變輸出級140之間的第一直流臂D1上。第二繞線組W2纏繞於第二邊柱166上，且第二繞線組W2之兩端亦耦接於第一直流臂D1上，進一步而言，該第二繞線組W2之兩端係分別耦接於該第一繞線組W1與該逆變輸出級140，也就是說，第一繞線組W1與第二繞線組W2係串接於整流輸入級120與逆變輸出級140間之第一直流臂D1。第三繞線組W3纏繞於中柱168上，且第三繞線組W3之兩端串接於整流輸入級120與該逆變輸出級140之間的第二直流臂D2上。
三繞線組之自感與互感可用矩陣表示：

其中L代表自感，M代表互感，x與y分別為第一繞線組W1、第二繞線組W2以及第三繞線組W3之編號。
請一併參閱第4圖，其繪示第3圖中濾波電抗級160於差模狀態下的示意圖。於差模狀態下第一繞線組W1產生之磁通量FD1與第二繞線組W2所產生之磁通量FD2同向，且磁通量FD1以及磁通量FD2與第三繞線組W3所產生之磁通量FD3反向抵消。如此一來，可產生透過磁通量FD1加上磁通量FD2減去磁通量FD3產生可調整的差模電感。差模電感的大小可透過第一繞線組W1、第二繞線組W2以及第三繞線組W3的繞線密度、匝數以及比例等加以調整。
以下詳細說明，在差模狀態下，兩側線圈(即第一繞線組W1與第二繞線組W2)產生之磁通量與中間線圈(即第三繞線組W3)產生之磁通量於模組162內相消，以此原理控制差模磁通量，可設計差模電感值及濾波電抗級160之飽和電流。若以繞線組的電感矩陣表示，則在差模狀態下電感量為：





另一方面，請一併參閱第5圖，其繪示第3圖中濾波電抗級160於共模狀態下的示意圖。共模狀態下第一繞線組W1產生的磁通量FC1、第二繞線組W2產生的磁通量FC2以及該第三繞線組W3所產生之磁通量FC3同向，相互累加並產生可調整且數值較大的共模電感。共模電感的大小可透過第一繞線組W1、第二繞線組W2以及第三繞線組W3的繞線密度、匝數以及比例等加以調整。
共模狀態下，三繞線組產生相同方向之磁通量於磁芯內相加，若以繞線組的電感矩陣表示，所形成之共模電感量為：



實際應用中，由於共模電流較差模電流小，雖然磁通量相加，但不會造成濾波電抗級160的電流飽和問題。
此外，如第2圖所示之較佳實施例中，變頻驅動系統100更包括儲能模組180，實際應用中，儲能模組180係包括電容元件(如第2圖所示)，儲能模組180的兩端分別耦接至兩直流臂(即第一直流臂D1與第二直流臂D2)，且儲能模組180係設置於濾波電抗級160與逆變輸出級140之間，儲能模組180用以暫存整流輸入級120整流後產生的直流電壓，並藉此推動逆變輸出級140。
綜上所述，本發明中的濾波電抗結構具有三繞線組，其中兩繞線組耦接於變頻驅動系統之一直流臂上且纏繞於磁芯模組的兩側邊柱，另一繞線組耦接於變頻驅動系統之另一直流臂上且纏繞於磁芯模組的中柱上。於共模狀態下，三繞線組的磁通量相互累加；於差模狀態下，邊柱上的兩繞線組與中柱上繞線組的磁通量相互抵消。藉此，三繞線組可提供足夠的共模電感以抑制共模電流，並形成可調整的差模電感，以降低濾波電抗的能量損耗。
雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．變頻驅動系統

120．．．整流輸入級

140．．．逆變輸出級

160．．．濾波電抗級

200．．．三相電網

220．．．電動機負載

180．．．儲能模組

D1．．．第一直流臂

D2．．．第二直流臂

W1．．．第一繞線組

W2．．．第二繞線組

W3．．．第三繞線組

162．．．磁芯模組

162a、162b．．．磁芯組件

164．．．第一邊柱

166．．．第二邊柱

168．．．中柱

Id．．．差模電流

Ic1、Ic2．．．共模電流

FD1、FD2、FD3、FC1、FC2、FC3．．．磁通量

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖繪示根據本發明之一較佳實施例中一種變頻驅動系統之功能方塊圖；
第2圖繪示根據本發明之一較佳實施例中變頻驅動系統的電路示意圖；
第3圖繪示根據本發明之一較佳實施例中濾波電抗級的示意圖；
第4圖繪示第3圖中濾波電抗級於差模狀態下的示意圖；以及
第5圖繪示第3圖中濾波電抗級於共模狀態下的示意圖。

100．．．變頻驅動系統

120．．．整流輸入級

140．．．逆變輸出級

160．．．濾波電抗級

200．．．三相電網

220．．．電動機負載

180．．．儲能模組

D1．．．第一直流臂

D2．．．第二直流臂

W1．．．第一繞線組

W2．．．第二繞線組

W3．．．第三繞線組

Id．．．差模電流

Ic1、Ic2．．．共模電流

Claims (14)

1. 一種變頻驅動系統，其與一三相電網耦接，該變頻驅動系統包括：
   一整流輸入級，與該三相電網耦接；
   一逆變輸出級；以及
   一濾波電抗級，耦接於該整流輸入級與該逆變輸出級之間，該濾波電抗級包括：
   一磁芯模組，其包括一中柱、一第一邊柱以及一第二邊柱；
   一第一繞線組以及一第二繞線組，該第一繞線組纏繞於該第一邊柱上，該第二繞線組纏繞於該第二邊柱上，且該第一繞線組與該第二繞線組係串接於該整流輸入級與該逆變輸出級間之一第一直流臂；以及
   一第三繞線組，纏繞於該中柱，且該第三繞線組之兩端串接於該整流輸入級與該逆變輸出級間之一第二直流臂上。
2. 如請求項1所述之變頻驅動系統，其中該整流輸入級用以將傳自該三相電網之具有固定工作頻率之一交流輸入電壓轉換為一直流電壓，該逆變輸出級用以將該直流電壓轉換為具有可變頻率之一交流輸出電壓，該交流輸出電壓用以驅動一外部負載。
3. 如請求項1所述之變頻驅動系統，其中該磁芯模組中該中柱、該第一邊柱以及該第二邊柱大致平行，且該第一邊柱以及該第二邊柱位於該中柱之兩側。
4. 如請求項1所述之變頻驅動系統，其中於一差模狀態下該第一繞線組與該第二繞線組所產生之磁通量同向，且與該第三繞線組所產生之磁通量反向抵消。
5. 如請求項4所述之變頻驅動系統，其中於該差模狀態下該第一直流臂與該第二直流臂上之差模電流方向相反。
6. 如請求項1所述之變頻驅動系統，其中於一共模狀態下該第一繞線組、該第二繞線組以及該第三繞線組所產生之磁通量同向。
7. 如請求項6所述之變頻驅動系統，其中於該共模狀態下該第一直流臂與該第二直流臂上之共模電流方向相同且由該整流輸入級流向該逆變輸出級。
8. 如請求項1所述之變頻驅動系統，其中該磁芯模組係為EI組合型磁芯、EE組合型磁芯中之任一者。
9. 一種濾波電抗級，耦接一整流輸入級與一逆變輸出級之間，該濾波電抗級包括：
   一磁芯模組，其包括一中柱、一第一邊柱以及一第二邊柱；
   一第一繞線組以及一第二繞線組，該第一繞線組係纏繞於該第一邊柱，該第二繞線組係纏繞於該第二邊柱，且該第一繞線組與該第二繞線組係串接於該整流輸入級與該逆變輸出級間之一第一直流臂上；以及
   一第三繞線組，纏繞於該中柱，且該第三繞線組係串接於該整流輸入級與該逆變輸出級間之一第二直流臂上。
10. 如請求項9所述之濾波電抗級，其中該磁芯模組中該中柱、該第一邊柱以及該第二邊柱大致平行，且該第一邊柱以及該第二邊柱位於該中柱之兩側。
11. 如請求項9所述之濾波電抗級，其中於一差模狀態下該第一繞線組與該第二繞線組所產生之磁通量同向，且與該第三繞線組所產生之磁通量反向抵消。
12. 如請求項11所述之濾波電抗級，其中於該差模狀態下該第一直流臂與該第二直流臂上之差模電流方向相反。
13. 如請求項9所述之濾波電抗級，其中於一共模狀態下該第一繞線組、該第二繞線組以及該第三繞線組所產生之磁通量同向。
14. 如請求項13所述之濾波電抗級，其中於該共模狀態下該第一直流臂與該第二直流臂上之共模電流方向相同，且由該整流輸入級流向該逆變輸出級。