濾波器對PWM變頻調速電動(dòng)機端子上電壓波形的影響

1引言

隨著(zhù)微電子技術(shù)和現代控制理論在交流變頻調速系統中的應用，變頻器(或逆變器)的性能也得到飛躍性的提高，并越來(lái)越廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)和日常工作的許多領(lǐng)域之中。但是，變頻器輸出的具有陡上升沿或下降沿的脈沖電壓卻在電動(dòng)機接線(xiàn)端子及繞組上產(chǎn)生了過(guò)電壓，造成電動(dòng)機繞組絕緣的過(guò)早破壞。試驗研究表明，很高的電壓上升率(dv/dt)在電動(dòng)機繞組上產(chǎn)生極不均勻的電壓分布，且隨著(zhù)變頻器與電動(dòng)機之間電纜(線(xiàn))長(cháng)度的增加，在電動(dòng)機接線(xiàn)端子上產(chǎn)生高頻振蕩的過(guò)電壓，當電纜長(cháng)度超過(guò)某一臨界值后，電動(dòng)機端子上過(guò)電壓的幅值達到變頻器輸出電壓的2倍，長(cháng)時(shí)間重復性的電壓應力的作用將導致電動(dòng)機繞組匝間絕緣的過(guò)早破壞。

為了降低電動(dòng)機端子上高頻振蕩的過(guò)電壓，最適宜的方法之一是在電動(dòng)機端子上安裝特殊設計的濾波器。濾波器的參數與變頻器特性及電纜參數有關(guān)，然而變頻器、電纜及電機一般都不是同一制造商或銷(xiāo)售商提供，變頻器的開(kāi)關(guān)特性、電纜參數及長(cháng)度的不確定性，使得濾波器的參數選擇具有不固定性。關(guān)于濾波器的參數與電機端電壓或電流特性的關(guān)系，目前還未有系統研究的報道。本文主要研究在不同電纜長(cháng)度下，濾波器的參數對電機端電壓特性的影響，確定電纜長(cháng)度、濾波器的電阻和電容與電機端子過(guò)電壓幅值及脈沖上升沿時(shí)間的關(guān)系，找出濾波器參數的選擇范圍，為變頻調速驅動(dòng)系統的制造和使用提供試驗依據和理論基礎。

2試驗研究及分析

PWM變頻調速驅動(dòng)系統中，造成電機端子產(chǎn)生高頻振蕩過(guò)電壓的原因，用傳輸線(xiàn)理論可以很好地解釋?zhuān)⑶彝ㄟ^(guò)試驗研究也進(jìn)一步得到證實(shí)，它是造成電機絕緣過(guò)早破壞的原因之一，因此為了延長(cháng)電機壽命，除了提高電機自身的絕緣水平外，還必須盡最大可能抑制過(guò)電壓的浪涌沖擊。

21濾波器與驅動(dòng)系統的等值電路

在電動(dòng)機端子上安裝阻抗匹配器可以很大程度地消弱過(guò)電壓，最簡(jiǎn)單的是并聯(lián)一個(gè)與電纜的波阻抗接近的電阻，但由于電纜(線(xiàn))的波阻抗很小，一般為10Ω～500Ω，故并聯(lián)電阻上的功耗很大，達到數百至數千瓦，因此一般不采用純電阻匹配器，通常都采用一階RC低通濾波器。

無(wú)源低通一階阻尼濾波器是電阻和電容串聯(lián)后并接在電機接線(xiàn)端子相—相上，根據傳輸線(xiàn)一次波過(guò)程的彼得遜(Petersen)規則，濾波器與變頻器、電纜和電機組成了如圖1所示的等值電路，其中2US為等值電源電壓，US即為變頻器輸出電壓，Z0為等值電纜波阻抗，Zm為電機繞組波阻抗，Rf為濾波器電阻，Cf為濾波器電容。

圖1一次波過(guò)程的等值電路

圖2電動(dòng)機端子上電壓上升沿波形與濾波器電容Cf和電阻Rf的關(guān)系

(a)Cf=0.08μF(b)Cf=0.02μF

(c）Cf=0.005μF(d)Cf=0.001μF

以前研究中已經(jīng)證實(shí)，在通用PWM驅動(dòng)變頻器的載波頻率(600Hz～15kHz)下，平均脈沖寬度在數十微秒以上，而由波過(guò)程產(chǎn)生的高頻振蕩過(guò)程一般約需十幾微秒，因此在分析PWM變頻器輸出的連續脈沖波的波過(guò)程時(shí)，可用一個(gè)階躍波的波過(guò)程來(lái)表示。

電纜的波阻抗Zc可通過(guò)測量單位長(cháng)度的電容C0和電感L0來(lái)求得。本文采用低壓三相PVC絕緣護套電纜線(xiàn)，測得相—相間C0約為76×10－11F/m，L0約為65×10－7H／m，從而根據Zc=(L0/C0)1／2求得Zc約為92Ω。這里考慮電源有很小的內阻抗，因此對圖1中的等值電纜波阻抗Z0可近似取為100Ω。電動(dòng)機由于是電感性負載，其波阻抗Zm遠大于電纜的波阻抗。