陳磊

（揚(yáng)帆集團(tuán)股份有限公司，浙江 舟山 316100）

1 概述

使用有源前端（AFE）轉(zhuǎn)換器的基于IGBT 技術(shù)的可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器（ASD）如今被廣泛使用。使用基于IGBT 的功率轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)如下：高開(kāi)關(guān)頻率；更小的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間，這可以減少開(kāi)關(guān)損耗；先進(jìn)PWM 技術(shù)可用于控制。

在一些應(yīng)用需要電機(jī)和電源轉(zhuǎn)換器之間的長(zhǎng)電纜。在這種情況下，已經(jīng)觀察到，與逆變器端的電壓相比，電機(jī)端子的電壓在開(kāi)關(guān)暫態(tài)期間增加幾倍。由于更快的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，逆變器端的高dv/dt 也導(dǎo)致等問(wèn)題如下：除了電機(jī)端子的倍壓外，還增加了接地電流；負(fù)載端的軸承損壞和絕緣失效；EMI/EMC 問(wèn)題。

使用三相二極管橋式整流器供電的直流母線將低次諧波注入電網(wǎng)。如果不需要再生能力，AFE 轉(zhuǎn)換器是一種合適的替代方案。

雖然AFE 轉(zhuǎn)換器消除了低次諧波，但它會(huì)注入高頻電噪聲。此外，高dv/dt 激發(fā)電容耦合，這導(dǎo)致增加了接地電流。由于轉(zhuǎn)換器通常在幾十千赫茲的范圍內(nèi)切換，因此，問(wèn)題變得非常突出。這種AFE 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電噪聲與PWM 逆變器產(chǎn)生的電噪聲相結(jié)合，并出現(xiàn)在負(fù)載上，加劇了電機(jī)端的問(wèn)題。基于零序注入載波的PWM 技術(shù)（CSVPWM）經(jīng)常用于AFE 操作，因?yàn)镈C 總線利用率更高。由于存在三次諧波分量，這種PWM 技術(shù)很難得到適合使用AFE 轉(zhuǎn)換器的高階濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

CISPR 22 和IEC 61000 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電力轉(zhuǎn)換器對(duì)商業(yè)和家庭應(yīng)用的電流注入限制。NEMA MG-1 的第31 部分建議可以在電機(jī)端子上施加的最大允許dv/dt，以確保安全運(yùn)行。為了滿足這些規(guī)定，采用了不同的解決方案來(lái)減輕不良影響。

無(wú)源濾波器被廣泛采用來(lái)解決這些問(wèn)題。消除電機(jī)端子電壓倍增并減小共模電流而不顯著增加尺寸和成本的濾波器配置之一是dv/dt 濾波器。如果所需的濾波器僅用于解決電動(dòng)機(jī)端子處的倍壓，那么，濾波器的諧振頻率可以高于開(kāi)關(guān)頻率。利用這種濾波器，電路元件的尺寸減小。阻尼這種濾波器非常困難，而輸出被鉗位到所需的DC 總線電壓。夾緊過(guò)濾器在文獻(xiàn)[6]，[7]中提出。文獻(xiàn)[6]中提出的濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒(méi)有解決共模分量問(wèn)題，通過(guò)將濾波器的中性點(diǎn)連接到DC 總線中點(diǎn)O，在文獻(xiàn)[7]中提出的后續(xù)設(shè)計(jì)中克服了這個(gè)缺點(diǎn)。但是，沒(méi)有討論設(shè)計(jì)過(guò)程和含義。

電容器介于直流母線正極軌與地之間、負(fù)極軌與地之間，這消除了AFE 變換器引起的共模電壓。該方法不能直接與AFE 轉(zhuǎn)換器ASD 一起使用，因?yàn)橛捎贑SVPWM 和開(kāi)關(guān)電流分量，接地電流現(xiàn)在將以共模方式承載三次諧波電流。沒(méi)有討論選擇濾波器組件的明確設(shè)計(jì)過(guò)程。降低共模電壓PWM 技術(shù)用于最小化效應(yīng)，但這也限制了線間輸出性能。[8]中討論的濾波器解決了AFE 轉(zhuǎn)換器消除高頻漏電流的問(wèn)題。因此，考慮到驅(qū)動(dòng)器的類型，有必要解決濾波器設(shè)計(jì)問(wèn)題。這樣，整個(gè)過(guò)濾器就可以作為ASD 的一部分嵌入。

本文簡(jiǎn)要概述了與基于IGBT 技術(shù)的ASD 相關(guān)的問(wèn)題，該ASD 具有使用長(zhǎng)電纜的有源前端（AFE）轉(zhuǎn)換器以及用于解決該問(wèn)題的不同緩解技術(shù)。詳細(xì)討論了具有AFE 轉(zhuǎn)換器的這種轉(zhuǎn)換器的共模電壓。討論了用于濾波器設(shè)計(jì)的集成方法，其中解決了AFE 轉(zhuǎn)換器和逆變器的不利影響。所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，其解決了由ASD 引起的共模電壓、共模電流和電壓倍增的問(wèn)題。討論了所提出的濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程以及驗(yàn)證濾波器有效性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

第一節(jié)討論了長(zhǎng)電纜ASD 及其緩解技術(shù)的不利影響，展示了共模電壓和電流，也強(qiáng)調(diào)了AFE 轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)載產(chǎn)生的共模電壓的影響。第二節(jié)概述了擬議過(guò)濾器的設(shè)計(jì)目標(biāo)。第三節(jié)介紹了所提出的電動(dòng)機(jī)側(cè)過(guò)濾器的工作原理和設(shè)計(jì)。第四節(jié)描述了共模電路和所提出的共模直流總線濾波器的設(shè)計(jì)。第五節(jié)討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 過(guò)濾器設(shè)計(jì)目標(biāo)

ASD 的設(shè)計(jì)必須考慮現(xiàn)代PWM 轉(zhuǎn)換器引入的電噪聲。這需要端到端解決方案，其中，通過(guò)合適的濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為ASD 系統(tǒng)的組成部分來(lái)最小化或消除電噪聲。濾波器必須同時(shí)處理共模和差模分量。設(shè)計(jì)過(guò)程需要獨(dú)立于負(fù)載，但在大多數(shù)情況下，必須考慮負(fù)載以有效地緩解問(wèn)題。為了解決CMV 的有害影響，必須考慮AFE 轉(zhuǎn)換器的存在并保留系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的電噪聲。這增加了設(shè)計(jì)濾波器的復(fù)雜性。這里的濾波器設(shè)計(jì)涉及兩個(gè)方面：第一，消除電機(jī)端子的倍壓并最小化CMC；第二，消除AFE 轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)載的CMV 影響，并限制ASD系統(tǒng)內(nèi)的電氣開(kāi)關(guān)噪聲。

2.1 電機(jī)濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)

所提出的dv/dt 濾波器（LC 諧振鉗位濾波器）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，位于逆變器輸出端。這個(gè)設(shè)計(jì)的主要方面如下：（1）通過(guò)改變施加電壓的dv/dt 來(lái)消除電動(dòng)機(jī)端子的倍壓；（2）減小濾波器的尺寸和成本，使其可以與轉(zhuǎn)換器的電源電路集成；（3）CMC 的最小化；（4）可輕松擴(kuò)展大功率驅(qū)動(dòng)器，而不會(huì)顯著增加濾波器的成本和尺寸。

為了滿足上述約束，使用dv/dt 濾波器。該濾波器通過(guò)略微修改拓?fù)鋪?lái)解決共模噪聲和差模噪聲問(wèn)題。dv/dt 濾波器設(shè)計(jì)，dv/dt 要求，諧振頻率選擇，濾波器和半導(dǎo)體中的峰值電流，所產(chǎn)生的功率損耗用于選擇濾波器元件，如第四節(jié)所述。

2.2 共模直流母線濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)

為了解決由AFE 引起的CMV，在直流母線正軌與地之間以及負(fù)軌與地之間引入了電容器，這消除了共模電壓。[9]所提出的濾波器實(shí)現(xiàn)了對(duì)高頻CMV 的濾波，同時(shí)防止低頻三次諧波電流流入地面。

所提出的DC 總線共模濾波器如圖1 所示，中點(diǎn)M 連接到LCL 濾波器中性點(diǎn)N，其通過(guò)電容器 CMg接地。共模濾波器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)方面如下：（1）消除由于AFE 操作導(dǎo)致CMV 傳播到負(fù)載側(cè)，從而消除CMC 電流的增加。（2）在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)開(kāi)關(guān)和低階諧波電流，允許AFE 操作采用先進(jìn)的PWM 技術(shù)。

下面將介紹直流母線共模濾波器以及第三節(jié)中用于選擇濾波器元件的方法。

表1 設(shè)計(jì)的dv/dt 濾波器值

圖1 帶有集成LCL 和直流母線共模濾波器的有源前端電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的原理圖，用于電機(jī)逆變器端子的電網(wǎng)和dv/dt 濾波器

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室中，內(nèi)置三相10kVA，415V 背對(duì)背連接功率轉(zhuǎn)換器原型，以證明濾波器的有效性?；禐镻base=10kVA，Vbase=240V，fbase=50Hz。逆變器的開(kāi)關(guān)頻率為2.5kHz，AFE整流器的開(kāi)關(guān)頻率為10kHz。100 米長(zhǎng)的PVC 涂層四芯電纜用于演示電機(jī)端子的倍壓。負(fù)載是三相，415V，10kW，50Hz星形連接感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，采用V/F 方案控制。使用矢量控制方法控制前端。Altera Cyclone II FPGA 平臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)控制算法。

表2 設(shè)計(jì)的共模直流母線濾波器值

在圖2（a）中，在沒(méi)有dv/dt 濾波器的情況下，所施加的逆變器電壓和電動(dòng)機(jī)端子之間的比較與線電流一起進(jìn)行。與施加的電壓相比，電動(dòng)機(jī)端子電壓上升超過(guò)兩倍。此外，在該瞬態(tài)期間，線電流上可以看到線對(duì)線寄生電容的影響。圖2（b）顯示了所連接的逆變器電壓，dv/dt 濾波電容器電壓，電機(jī)端子對(duì)地電壓以及連接電機(jī)側(cè)濾波器的接地電流。極電壓具有非常尖銳的上升沿，其由引起的dv/dt 濾波器變化產(chǎn)生，并且消除了電機(jī)端子處的電壓倍增，并使接地電流最小化。

圖3

圖4 測(cè)量波形顯示

使用AFE 整流器將DC 總線從600V 的預(yù)充電值提升至700V。圖3 表示DC 總線的升壓動(dòng)作以及轉(zhuǎn)換器電流側(cè)電流和出現(xiàn)在DC 總線的中點(diǎn)與地 VOg之間的共模電壓。由二極管橋式整流器和AFE 整流器引起的CMV 清晰可見(jiàn)。很明顯，由于AFE 整流器導(dǎo)致的CMV 占主導(dǎo)地位，需要限制其出現(xiàn)在負(fù)載端子處。與三相二極管橋式整流器相比，在AFE 整流器操作期間對(duì)地的共模電流注入變得顯著。

當(dāng)連接到正負(fù)軌的直流母線Y 電容接地時(shí)，開(kāi)關(guān)電流和諧波電流流入地，如圖4（a）所示，用于CSVPWM。為了說(shuō)明電流注入接地，AFE 轉(zhuǎn)換器的操作是在無(wú)負(fù)載的300V DC總線上進(jìn)行的，以保持共模諧振分量的限制。在CSVPWM 的情況下，可以看到，開(kāi)關(guān)和三次諧波電流流入地 Ico1m。而且，當(dāng)LCL 濾波器的中性連接懸空時(shí)，N'與地之間的電壓 VNg高。

通過(guò)將中點(diǎn)M 連接到LCL 濾波器N'的中性來(lái)獲得所提出的拓?fù)洹D4（b）顯示了CMV VOg，電容器 CMg上的電壓，和CSVPWM 的接地電流。M 的相對(duì)于地的電位降低，使用明顯高于寄生電容的。與沒(méi)有任何濾波器的相比表2，直流母線濾波器后的電壓顯著衰減。對(duì)于帶有直流母線濾波器的CSVPWM， VOg的頻率現(xiàn)在是基頻的三倍，并且AFE 操作的幅度變化緩慢，從而產(chǎn)生了更安靜的直流母線。這說(shuō)明了DC 總線共模濾波器的有效性。

基于三個(gè)二極管橋式整流器的ASD 和基于ASD 的AFE 轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)在電機(jī)中性點(diǎn)的CMV 和CMC 如圖5（a）和圖3（b）所示。為了說(shuō)明CMV 的不利影響，將直流母線升壓至400V，以使電動(dòng)機(jī)端子的電流和電壓保持在安全范圍內(nèi)。由于AFE轉(zhuǎn)換器導(dǎo)致的CMC 電壓由于逆變器而騎在CMV 上，這導(dǎo)致了CMC 的發(fā)生頻率增加。這與第二節(jié)中顯示的模擬結(jié)果一樣可以預(yù)期。

圖5（c）顯示了電機(jī)中性點(diǎn)接地的CMV 和CMC，連接了直流母線共模濾波器，但電機(jī)濾波器被移除。這有效地表明，由于AFE 轉(zhuǎn)換器消除了CMV，但是，逆變器CMV 仍具有高dv/dt。這降低了CMC 電流的發(fā)生頻率，但由于逆變器產(chǎn)生的CMV 的高dv/dt 仍然保持高幅度。通過(guò)添加dv/dt 濾波器，除了消除電機(jī)端子上的電壓倍增外，CMC 的幅度也會(huì)降低，如圖5（d）所示。

4 過(guò)濾效果

圖5 由于電纜配置的長(zhǎng)電纜在電機(jī)端子上測(cè)量的CMV 和CMC 波形

表3

測(cè)量設(shè)備和控制卡的電源以地為參考。由于高dv/dt 導(dǎo)致的電傳導(dǎo)和輻射噪聲增加，由于基于AFE 的ASD 產(chǎn)生的噪聲阻礙了這些設(shè)備的正常操作，并且可能影響測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。由于需要屏蔽每個(gè)傳感器和測(cè)量通道，增加隔離接地和過(guò)濾電源引線，因此，不受傳導(dǎo)和輻射噪聲影響的設(shè)備成本增加。所提出的濾波器拓?fù)渫ㄟ^(guò)在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器本身內(nèi)提供循環(huán)路徑而將噪聲從參考地轉(zhuǎn)移。此外，逆變器輸出端的dv/dt 降低會(huì)降低輻射的高頻噪聲。表3，表示濾波器前后的電流大小。由PWM 工作引起的電機(jī)峰值電流從7A尖峰減少到大約0.4A，從而改善了所提出的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與相鄰設(shè)備的兼容性。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)基于ASD 的AFE 整流器概述了整體濾波器拓?fù)浜驮O(shè)計(jì)過(guò)程，簡(jiǎn)要概述了從整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的角度設(shè)計(jì)過(guò)濾器的需求，提出了一種利用dv/dt 濾波器用于差模電路的LCL 濾波器優(yōu)勢(shì)的設(shè)計(jì)方法，提出了有效且簡(jiǎn)單的dv/dt 濾波器設(shè)計(jì)程序?；诠材ｋ娐酚懻摿酥绷髂妇€濾波器的分析。共模直流總線濾波器抑制AFE 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的高頻CMV 影響負(fù)載。

由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的先進(jìn)PWM 技術(shù)，所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使開(kāi)關(guān)元件與三次諧波分量保持一致，并在共模基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了濾波后的DC 總線。電機(jī)側(cè)的LC 諧振鉗位濾波器降低了輸出電壓的dv/dt，這進(jìn)一步減小了CMV 對(duì)逆變器的不利影響，消除除了電機(jī)端子上的倍壓。當(dāng)ASE 中使用AFE 整流器時(shí)，減少的CMC 可最大限度地降低電機(jī)故障的風(fēng)險(xiǎn)。