濾波器對PWM變頻調速電動(dòng)機端子上電壓波形的影響

22濾波器的參數對端子上電壓波形的影響

對于陡上升沿的電壓波來(lái)說(shuō)，濾波器的電容Cf可認為是零波阻抗，相當于短路，如果取濾波器電阻Rf的阻值與電纜的波阻抗相等，而電動(dòng)機的波阻抗又遠大于Rf，則負載阻抗近似為Rf，這樣一來(lái)，電纜末端的負載阻抗與電纜的波阻抗相匹配，在電動(dòng)機端子上就不會(huì )產(chǎn)生電壓波的全反射，也就不會(huì )形成過(guò)電壓。

然而濾波器的電容該如何確定?原理上其電容值越大，對阻抗的匹配性就越好，過(guò)電壓就越小。但是，隨著(zhù)電容值的增大，電阻上的功耗就增加，因為在連續矩形脈沖電壓下，濾波器電阻的總功耗P可近似表示為P=3CfUo2fs（1)

式中fs為變頻器的載波頻率，對于普通型變頻器約為600Hz～5kHz，低噪音型變頻器約為8kHz～15kHz，而對于特殊的變頻器可達到20kHz。如取Uo為400V，Cf取為01μF，fs分別取為1kHz和10kHz，則根據式(1)求得電阻上的總功耗分別為48W和480W，隨著(zhù)電阻功耗的增大，濾波器元件的尺寸也相應增大，因此在小型變頻調速電動(dòng)機應用中，就不能不考慮功耗這一因素。

實(shí)際應用中，如果對濾波器不能進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設計，就不能達到滿(mǎn)意的匹配效果，這就是說(shuō)濾波器的失匹配程度將影響對電動(dòng)機端子上過(guò)電壓的抑制效果，本文在不同的電纜長(cháng)度(30m、45m和75m)下，電阻Rf分別取75Ω、100Ω、150Ω和350Ω，及電容Cf取為0001μF～016μF，分別測量了電動(dòng)機端子上電壓的波形、上升沿過(guò)電壓幅值，以及上升時(shí)間的變化。

圖2所示的是電動(dòng)機端子上相—相電壓上升沿的波形與濾波器電阻的關(guān)系，其中電纜長(cháng)度為45m，濾波器電容分別為008μF、002μF、0005μF和0001μF。

從圖2中可以看出，當濾波器電阻近似等于或小于100Ω時(shí)，濾波器的電容對高頻振蕩的幅度及波形有顯著(zhù)的影響，隨著(zhù)濾波器電容的減小，高頻振蕩的幅值增大，濾波效果變差。而當濾波器電阻遠大于100Ω時(shí)，濾波器的電容對振蕩的幅值及波形的影響很小。

圖4電動(dòng)機端子上電壓上升沿時(shí)間與濾波器電阻及電容的關(guān)系

圖3電動(dòng)機端子上過(guò)電壓倍率(Ump／Ums)與濾波器電阻Rf及電容Cf的關(guān)系

為了更進(jìn)一步地研究濾波器的電阻和電容與電動(dòng)機端子上電壓特性的關(guān)系，下面將分別測量不同濾波器的電阻和電容下，電動(dòng)機端子上電壓上升沿過(guò)電壓倍率及電壓上升時(shí)間。

23濾波器的參數與端子上過(guò)電壓的關(guān)系

按照上述方法，在電纜長(cháng)度分別為30m和75m時(shí)，在不同的濾波器電阻及電容下，測取電動(dòng)機端子上電壓上升沿的波形，從而得到電動(dòng)機端子上電壓上升沿過(guò)電壓倍率與濾波器電阻及電容的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖3所示，其中過(guò)電壓倍率為上升沿的電壓峰值Ump與穩態(tài)值Ums(即近似等于變頻器輸出電壓幅值)之比。

從圖3中可以清楚地看出：濾波器的電容值Cf越大，濾波器的電阻值Rf越小，則過(guò)電壓的倍率就越??；另外，電纜長(cháng)度L越長(cháng)，過(guò)電壓倍率也相應略增大。這樣看來(lái)，當電纜長(cháng)度為75m時(shí)，如Cf大于002μF，Rf小于150Ω，過(guò)電壓的倍率將不超過(guò)12。24濾波器的參數與端子上電壓上升沿時(shí)間的關(guān)系

同樣，在電纜長(cháng)度分別為30m和75m時(shí)，在不同的濾波器電阻及電容下，測取電動(dòng)機端子上電壓上升沿的波形，從而得到電動(dòng)機端子上電壓上升沿時(shí)間與濾波器電阻及電容的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖4所示。

從圖4中可以清楚地看出：濾波器的電阻值Rf越小，上升沿時(shí)間tr就越大，且隨濾波器的電容值Cf的增大而增加，并當Cf超過(guò)001μF后，tr趨于飽和；當Rf大于150Ω時(shí)，上升沿時(shí)間與電容值幾乎無(wú)關(guān)；另外，電纜長(cháng)度L越長(cháng)，上升沿時(shí)間也相應增大。這樣看來(lái)，當電纜長(cháng)度為75m時(shí)，如Cf大于001μF，Rf為100Ω，則上升沿時(shí)間超過(guò)09μs，它是濾波前(約045μs)的2倍。

25濾波器的Rf和Cf的選擇

由上述試驗結果可知，濾波器電阻值Rf越小，電容值Cf越大，電纜長(cháng)度L越短，則電動(dòng)機端子上過(guò)電壓的倍率就越小。而且Rf越小，Cf越大，上升沿時(shí)間就越大，即電壓上升率(dv/dt)也就越小。如果電纜的長(cháng)度約為75m，取濾波器的電容值Cf為002μF，Rf近似取為100Ω，則電動(dòng)機端子上過(guò)電壓的倍率從濾波前的18減小到12，上升沿時(shí)間從濾波前的045μs增大到09μs，則電壓上升率減小到濾波前1/3，這有利于減弱過(guò)電壓對電動(dòng)機絕緣的破壞。

3結語(yǔ)

用RC一階阻尼濾波器可以很好地抑制變頻調速電動(dòng)機端子上高頻振蕩的過(guò)電壓，濾波器的電阻值越小，電容值越大，則過(guò)電壓幅值就越小。當濾波器的電容大于一定值(如002μF)后，過(guò)電壓幅值隨濾波器電阻值的減小而減小，并在電阻值等于或小于電纜的波阻抗時(shí)趨于電源電壓值，且隨電纜長(cháng)度的增加而略有增加，而上升沿時(shí)間隨濾波器電阻值的減小而增加，并隨電纜長(cháng)度的增加而增加?？紤]到濾波器的功耗，電容值不宜很大，應低于01μF。