魯曉輝，張全柱，鄧永紅，江 淮，馬 娜

(1.安徽理工大學，安徽淮南 232001;2.華北科技學院信息與控制技術(shù)研究所，北京東燕郊 065201)

0 引言

采用PWM技術(shù)的電壓源逆變器廣泛應用于如采煤機牽引電機的變頻調(diào)速裝置中，由于PWM調(diào)制本身的特性，使得輸出電壓中含有較多的高次諧波。采煤機牽引電機對輸入電壓的波形質(zhì)量要求較高，變頻器輸出電壓中的高次諧波會使電機發(fā)熱加劇、損耗增加、效率和功率因數(shù)降低，并產(chǎn)生電磁噪聲;較多的諧波還會使牽引電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的脈動，電機轉(zhuǎn)速波動比較大，使采煤機的運行不穩(wěn)定，影響工作面采煤效率，并對采煤機整體造成危害。所以，必須采取一定的措施減小輸出電壓的諧波，使輸出電壓符合交流異步電機的運行要求。

為了降低變頻器輸出電壓的諧波含量，研究了變頻器輸出電壓的波形特性，并設計了LC低通濾波電路。在設計LC濾波器時，首先要考慮濾波器的截止頻率，通過對濾波器截止頻率的合理選取，可以在消除逆變器輸出電壓信號中高于截止頻率的大多數(shù)諧波的同時又不會引起系統(tǒng)的諧振。除了截止頻率，還要考慮濾波器的功率容量、體積等要素對逆變器的功率密度、重量、性價比等指標的影響［1］。本文主要從減小濾波器功耗和降低輸出電壓的諧波的角度，對LC濾波電路進行研究設計，并進行了實驗研究。

1 牽引變頻器實驗樣機

本文采用的6 kW的實驗牽引變頻器樣機是針對采煤機牽引電機互饋試驗臺而研制的變頻器，它主要是用作拖動5.5 kW的交流異步電機。本樣機采用矢量控制策略對電機進行控制，實現(xiàn)了對電機轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦，這種控制方式的控制精度高，低速啟動時的啟動轉(zhuǎn)矩大，非常適合對于采煤機牽引電機這樣的在重載環(huán)境下運行的電機。

變頻器樣機的調(diào)速范圍1∶1 000，速度控制精度±0.02%，頻率精度可達±0.01%，輸出頻率分辨率可達0.01 Hz，可實現(xiàn)全領(lǐng)域直流剎車，零位伺服功能，轉(zhuǎn)矩追蹤。加減速時間可設定0.01～600 s，動態(tài)相應好，負載適應性強。具有滑差補償，轉(zhuǎn)矩補償，速度控制(ASR)，鍵盤數(shù)據(jù)復制，靜音控制等功能。鍵盤數(shù)據(jù)的復制功能，大大簡化了多機調(diào)試的繁瑣工作量。在全功率范圍內(nèi)，可四象限運行，IGBT全功率能量回饋，輸入功率因數(shù)高。

2 LC濾波器參數(shù)設計

根據(jù)前述對牽引變頻器的介紹，本小節(jié)對變頻器輸出電壓做濾波處理，在變頻器的三相輸出回路中串聯(lián)LC濾波電路，如圖1所示。

LC濾波器由三相濾波電抗Lf和三相濾波電容Cf構(gòu)成。濾波器的性能主要由Lf和Cf之間的截止頻率決定，LC的截止頻率為

圖1 牽引變頻器及LC濾波電路的基本結(jié)構(gòu)

為了使輸出電壓更接近正弦波，同時還要避免諧振，濾波器的截止頻率要遠小于PWM電壓中所含的最低次諧波頻率，同時要遠大于基波頻率，因此，濾波電路截止頻率必須滿足如下關(guān)系［2－4］:

其中，f1為基波頻率，fs為PWM載波頻率。

為了能夠簡化計算輸出濾波電路的參數(shù)，根據(jù)交流三相系統(tǒng)的對稱性，將逆變器的輸出端和濾波電路簡化成單相等效電路，如圖2所示［5－6］。

圖2 濾波電路單相等效電路

圖2中，Ui為逆變器輸出相電壓，Is為電感電流，Io為輸出相電流，Ic為電容電流，Uo為負載相電壓;Lf和Cf為等效單相電感和電容。

討論濾波器的截止頻率范圍之后，選擇合適的諧振頻率點，在計算LC濾波參數(shù)的時候，本文參考了文獻［7］的研究成果，得到了濾波電路的電感值計算公式為:

同時，再結(jié)合選定的截止頻率，可以得到 Cf的值［7］。

3 實驗研究

搭建6 kW煤機牽引變頻器樣機實驗平臺，拖動一臺YT112M—4型4 kW的異步交流電動機，通過自行設計的牽引變頻器輸出電參量檢測電路模塊檢測輸出的電壓和電流波形，并對電機的磁鏈進行測量。

通過對比有無濾波電路情況下的輸出波形，分析濾波電路對變頻器輸出電壓電流波形的影響。

本文采用LEM公司生產(chǎn)的霍爾電壓傳感器對經(jīng)過濾波后的變頻器輸出電壓進行檢測，其檢測電路原理圖如圖3所示。電壓通過電阻R10和R11輸入到LEM傳感器中，再經(jīng)過兩級運放，采用示波器常壓探頭即可檢測出濾波電路的輸出電壓［8］。通過比較圖4與圖5，我們可以看出，在有濾波電路的情況下輸出的電壓波形有很好的正弦度，消除了大部分諧波，并且電壓紋波也很少，基本符合牽引電機的運行電壓輸入的要求。

同時，利用LT58－S7/SP8電流傳感器設計的檢測電路檢測有無濾波電路情況下的牽引變頻器輸出電流波形，如圖6和圖7所示，比較輸出電流的波形情況，可以看出濾波電路對輸出信號有著很好的消除諧波的作用。

圖8所示的是檢測電路測量出的牽引電機的磁鏈圓的波形。從波形圖可以看出，在濾除電機輸入電壓的諧波后，電機磁鏈已接近正圓形狀，可見在加裝濾波電路后，電機具有良好的運行狀態(tài)。

下圖所示的是對50 Hz的輸出頻率下的輸出電壓電流參數(shù)以及磁鏈的檢測，比較了濾波前后的輸出電壓電流波形，并給出了濾波后的電機運行磁鏈波形。

圖3 電壓及磁鏈檢測電路原理圖

圖4 濾波前的變頻器輸出電壓波形

圖5 濾波后的變頻器輸出電壓波形

圖6 未加濾波器檢測板檢測電流波形

圖7 加濾波器檢測板檢測電流波形

圖8 濾波后檢測的電機磁鏈波形

4 結(jié)論

本文在總體的低無功損耗以及提高輸出電壓的正弦度的設計要求下，設計濾波電路并應用于6 kW采煤機牽引變頻器樣機，經(jīng)濾波后的輸出電壓提供給交流異步電機，模擬采煤機牽引電機的運行情況，得到了較好的輸出結(jié)果。在理論分析和實驗驗證的基礎(chǔ)上，證明了該設計的可行性和一定的工程價值。

［1］ 李立毅，譚廣軍，劉家曦，等.抑制高速電機電流諧波的LC濾波電路設計［J］.微電機，2013，46(7):38－44.

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［3］ 張振，劉懷霞，張永庭.礦井帶式輸送機三電平直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究［J］.煤礦機械，2010，31(01):152－154.

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［5］ 何亮，王勁松.三相PWM逆變器輸出LC濾波器設計方法［J］. 電氣傳動，2013，43(12):33 －36.

［6］ Lin B R，Chen D J，Tsay H R.Bi－ directional AC/DC converter based on neutral point clamped［C］.IEEE International Symposium on Industrial Electronics， Pusan， South Korea，2001.

［7］ 俞楊威，金天均，謝文濤，等.基于PWM逆變器的LC濾波器［J］. 機電工程，2007，24(5):50－52.

［8］ 張全柱，趙立永，朱雄.采煤機牽引變頻器輸出電參數(shù)測量平臺的實現(xiàn)［A］.煤礦自動化與信息化//第21屆全國煤礦自動化與信息化學術(shù)會議暨第3屆中國煤礦信息化與自動化高層論壇論文集(上冊)［C］.2011.