王云河

（海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢430064）

0 引言

中壓變頻器（以下簡(jiǎn)稱變頻器）的調(diào)制方法仍然采用PWM技術(shù)。通過(guò)PWM調(diào)制，使得功率管IGCT有規(guī)律的開通與關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)變頻變壓的目的，但是同時(shí)也會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面效應(yīng)。首先，IGCT的高速開關(guān)特性會(huì)在變頻器的輸出端產(chǎn)生高的dv/dt，尤其當(dāng)變頻器和電動(dòng)機(jī)之間不可避免的通過(guò)長(zhǎng)電纜連接時(shí)，由于長(zhǎng)線電纜存在分布電感和分布電容，將產(chǎn)生反射波現(xiàn)象，使電動(dòng)機(jī)輸入端的 dv/dt加倍，縮短電機(jī)的使用壽命。其次，變頻器的輸出波形中含有大量的高次諧波使電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，影響電機(jī)絕緣，諧波還會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，噪音增加等。因此，濾波器的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

目前可以抑制諧波的濾波器分為兩種，即有源濾波器和無(wú)源濾波器。無(wú)源濾波器與有源濾波器比較，具有不需要控制，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。本文主要講述應(yīng)用于中壓變頻器的輸出無(wú)源濾波器（LC濾波器）的設(shè)計(jì)。

1 LC濾波器的工作機(jī)理

輸出濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多種，在考慮到經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等因素后，選擇如圖1所示的LRCL濾波結(jié)構(gòu)。

圖1 LRCL濾波器

中壓變頻器是三電平H橋結(jié)構(gòu)，基于這種變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇對(duì)稱結(jié)構(gòu)的濾波電感，其原因是當(dāng)變頻器輸出電流改變方向時(shí)，也能先抑制dv/dt，阻止變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過(guò)，保護(hù)電機(jī)；當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，能增加負(fù)載電流的上升時(shí)間，這樣可以預(yù)留給控制足夠的時(shí)間去封鎖脈沖，保護(hù)功率管IGCT。電容器C為變頻器產(chǎn)生的高次諧波提供旁路，并且減小變頻器輸出的高的dv/dt。電阻R則起阻尼作用防止或抑制諧振的產(chǎn)生，當(dāng)選擇的諧振頻率在截止頻率之外時(shí)，可以不用電阻R。本文設(shè)計(jì)的濾波器就沒(méi)有加電阻R。

參照?qǐng)D1，電阻R=0；負(fù)載有功功率P0，無(wú)功功率Q0，功率因數(shù)角φ0；變頻器輸出有功功率Pi，無(wú)功功率Qi，功率因數(shù)角φi；負(fù)載的基波頻率為f；可以得到如下的關(guān)系式，

負(fù)載的有功電流，無(wú)功電流為，

濾波器電容C的基波電流，

變頻器單個(gè)H橋輸出的有功電流、無(wú)功電流為，

變頻器單個(gè)H橋輸出的總電流為，

濾波器電感L上的基波壓降為，

Ii1為變頻器單個(gè)H橋輸出的基波電流，考慮到其它諧波的影響，實(shí)際上濾波電感承受的電壓大于UL。

功率管IGCT可承受的最大電壓和電流有限，當(dāng)負(fù)載要求變頻器輸出額定電壓和額定電流的時(shí)候，合理的設(shè)計(jì)LC的參數(shù)，可以提高功率管IGCT的電壓和電流裕量，保護(hù)功率器件。

濾波電容C的合理選擇，可以給負(fù)載提供所需的無(wú)功電流，從而減小變頻器輸出的電流；濾波電感L的合理選擇，可以減少電感上的壓降，從而可以提高變頻器輸出的電壓利用率。

2 LC的選取原則

根據(jù)上面的分析LC的選取應(yīng)該參照以下幾個(gè)原則：

1） 盡可能的降低濾波電感L上的壓降。

2） 盡可能的使濾波電容C上的無(wú)功功率與負(fù)載上的無(wú)功功率匹配。

3） 滿足電動(dòng)機(jī)對(duì)變頻器輸出的諧波要求。

4） 滿足電動(dòng)機(jī)在考慮到絕緣時(shí)，對(duì)變頻器輸出的dv/dt的要求。

3 波器截止頻率fc選取原則

[4][5]中講到，在二電平逆變器電路中，變頻器輸出脈沖電壓的頻率等于開關(guān)頻率；在三電平逆變器中，變頻器輸出的脈沖電壓的頻率等于開關(guān)頻率的2倍。根據(jù)Nyquist采樣定理，可知采樣頻率fs和開關(guān)頻率fk之間必須滿足fs≥fk，由于中壓變頻器選擇三電平H橋結(jié)構(gòu)，因而濾波器截止頻率fc必須滿足：

在高壓變頻系統(tǒng)中，為確保濾波器優(yōu)良的濾波效果，其截止頻率cf可降低到理論諧振頻率的1/3，因而濾波器截止頻率應(yīng)滿足，

4 中壓變頻器三電平 H 橋的仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析

中壓變頻器所帶阻感負(fù)載參數(shù)：cosφ=0.85，P=1.4 MW，η=0.965，I=680 A。由以上的分析，選擇與負(fù)載相匹配的LC濾波器的參數(shù)為：L=1 mH，C=15 μF。參照?qǐng)D2。

圖2 中壓變頻器三電平H橋結(jié)構(gòu)圖

利用MATLAB軟件，把負(fù)載參數(shù)和LC濾波器參數(shù)帶入系統(tǒng)中進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果如下：

圖3 阻感負(fù)載的電壓仿真波形

圖4 阻感負(fù)載的電壓試驗(yàn)波形

圖5 阻感負(fù)載的電流仿真波形

5 濾波效果分析

濾波器設(shè)計(jì)的最終目的是在能夠輸出額定電壓和電流的情況下，對(duì)諧波的抑制效果和對(duì)dv/dt的抑制效果。

三電平H橋輸出的電壓電流諧波分析如圖7所示。

圖6 阻感負(fù)載的電流試驗(yàn)波形

圖7 （a）LC濾波器之前的電壓諧波分析

圖7 （b）LC濾波器之后的電壓諧波分析

圖7 （c）LC濾波器之前的電流諧波分析

圖7 （d）LC濾波器之后的電流諧波分析

通過(guò)上面的分析結(jié)果可以看出，在LC濾波器之后，大部分諧波被濾除。

對(duì)照仿真電壓波形與試驗(yàn)電壓波形，計(jì)算可以得到 dv/dt由濾波前的 5000 V/μs，降低到 50 V/μs。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊建軍. 變頻器的諧波分析及治理. 電氣時(shí)代, 2007年第5期.

[2]陸繼明. 高壓變頻器輸出濾波器研究.高電壓技術(shù),2002年11月, 第28卷第11期.

[3]姜艷姝. PWM變頻器輸出共模電壓抑制技術(shù)的研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文.

[4]Palma L, Enjeti P. An inverter output filter to mitigate dv/ dt effects in PWM drive system

[5][DB/OL]. Seven—teenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition I, 2002, 550—556.