PWM變頻器及電動機端濾波器的仿真研究

【摘 要】新型電力電子器件的迅速發(fā)展使開關(guān)頻率提高、開關(guān)時間大大縮短，使用IGBT器件的逆變器開關(guān)頻率達到20kHz以上，大大減小了逆變器的體積，降低了輸出諧波幅值和噪音。但器件開關(guān)時間的縮短，使電壓變化率dv/dt增大，可達 6000V/μs以上，在電機端子產(chǎn)生過電壓，使繞組絕緣過早損壞，有的電機使用1～2年就發(fā)生損壞，甚至有些在試運行期間就發(fā)生絕緣被擊穿破壞。本文針對這一問題，通過設計RC阻抗匹配網(wǎng)絡并聯(lián)在電機端使阻抗匹配，達到抑制電機端子過電壓的目的，并對網(wǎng)絡參數(shù)值的選取進行了分析討論經(jīng)仿真對比分析。表明方法可行，過電壓抑制效果明顯。

【關(guān)鍵詞】高頻PWM；上升時間；電纜長度

全世界的電能一半以上由電動機消耗，工業(yè)化國家達70%以上，我國也在60%以上。在風機水泵中采用調(diào)速系統(tǒng)比傳統(tǒng)的恒速系統(tǒng)節(jié)約電能15%-20%。因此，它對節(jié)約和合理使用能源，提高系統(tǒng)性能具有重大意義。

在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)：許多變頻電機的壽命只有1年～2年，甚至有些在試運行中就遭到損壞，尤其在石油化工等需要長電纜連接變頻器和電機的特殊場合，電機損壞相當嚴重。據(jù)統(tǒng)計：在變頻電機損壞中，37%屬于定子繞組絕緣失效，30%屬于軸承損壞問題，這個問題不解決，勢必阻礙變頻技術(shù)的進一步發(fā)展和應用。

很多工業(yè)應用中，PWM變頻器與電動機常在不同的安裝位置，因此需要較長的電纜線把PWM變頻器輸出的脈沖電壓傳輸?shù)诫妱訖C接線端，如圖1所示。如油田鉆井、海底勘探等場合，電纜引線甚至可以達到幾千米。由于長線電纜參數(shù)的分布特性，即存在分布電感和分布電容，使得電纜線上存在行波，當電纜的波阻抗與電動機的等效阻抗不匹配時，在電動機端產(chǎn)生電壓反射現(xiàn)象。入射波電壓與反射波電壓疊加后，在電動機端產(chǎn)生過電壓、高頻阻尼振蕩，加劇電動機繞組的絕緣壓力。研究表明，一般，PWM脈沖的傳輸速度約為光速的1/2，當脈沖由變頻器傳輸?shù)诫妱訖C的時間超過脈沖上升時間的1/3時，在電動機端發(fā)生全反射，使電壓近似加倍，從而使電動機的絕緣迅速老化甚至擊穿。

圖1 采用長線傳輸?shù)腜WM變頻器

驅(qū)動的異步電動機

為了解決這些涉及到的問題，本文將研究RC電動機端濾波器，接在電動機的接線端上。用來消除過電壓導致的這一系列的問題。

一、電壓反射理論分析

采用長線電纜時，變頻器和電動機之間傳輸?shù)腜WM脈沖與傳輸線上行波的情況類似。PWM脈沖，作為正向行波（入射波），由變頻器傳向電動機，在電動機端反射后產(chǎn)生反向行波（反射波）傳向變頻器，傳至變頻器輸出端后的反射波又產(chǎn)生第二個入射波，等等，如圖2所示。為了更好地理解變頻器與電動機之間采用長線電纜時的行波重復反射現(xiàn)象，這里首先討論PWM脈沖的一個反射過程。假定PWM脈沖的dv/dt無窮大。

PWM變頻器在傳輸線起端的等效電路如圖（2a）。由于高頻時電動機阻抗很大，可認為開路。當開關(guān)器件接通后入射波電壓向右傳輸，如圖（2b）所示。當入射波到達傳輸線終端后將產(chǎn)生反射，如圖（2c）所示。入射電壓會形成一個正電壓的反射波，向左傳輸至起端（虛線所示）。反射波與入射波相加，使電動機端電壓加倍（實線所示）。在反射波到達起端之前，傳輸線的電壓為2U。但在起端變頻器的輸出電壓為U，則應有一個電壓為-U的負反射波，由變頻器向電動機傳輸，如圖（2d）所示。這個負反射波作為第二個入射波很快到達終端，如圖（2e）所示，并也被反射。第三個入射波的情況與第一個入射波相同，無須繼續(xù)研究。

其反射機理可看成是一面鏡子對正向行波u+反射產(chǎn)生一個反射波u-，u-作為u+的鏡像，等于u+乘以電壓反射系數(shù)。終端（負載）反射系數(shù)N2為

圖2 重復反射現(xiàn)象

在變頻器輸出端，反射后得到的正向行波與傳輸來的反向行波波形相同，但幅值減小為反向行波的N1倍。而入射波被反射后得到的反射波傳向變頻器，反射波的值等于其值乘以負載反射系數(shù)N2，由于電動機的繞組電感很大，其阻抗ZL比電纜特性阻抗Zc大很多，即ZL>>Zc，由式（3）可知，N2≈1，發(fā)生全反射，入射波與反射波疊加使電動機端電壓近似加倍。

二、仿真模型搭建及分析

（一）仿真模型搭建

利用MATLAB/SIMULINK工具箱里的電力系統(tǒng)模塊對變頻器驅(qū)動感應電機的電路進行建模并仿真和分析，如圖3所示

（二）仿真結(jié)果分析

圖4a、圖4b、和圖4c分別是變頻器輸出端不帶電纜，帶100m電纜和帶200m電纜時輸出的線電壓波形。

由仿真可以看出，逆變器輸出的線電壓幅值在500v左右；加上100m的電纜時逆變器的輸出幅值在750v左右波動，反射現(xiàn)象明顯；加上200m的電纜時輸出電壓，其幅值在800-900間波動。可見，電纜越長，反射現(xiàn)象越嚴重。

圖5a、圖5b、和圖5c分別是變頻器輸出端不帶電纜，帶100m電纜和帶200m電纜，并且在電動機端加一階RC濾波器后輸出的線電壓波形。其中，RC濾波器參數(shù)取Rf=190，Cf=22nF。

可以看出，在沒有加濾波器前，電機端的線電壓為750v左右，而加入RC濾波器后，電機端的線電壓在500v左右波動，電機端過電壓現(xiàn)象得到有效抑制，如果RC值經(jīng)優(yōu)化設計后可以使電機端的過電壓現(xiàn)象全部消除。仿真結(jié)果驗證了采用一階RC電動機端濾波器可有效的抑制電壓反射引起的過電壓、高頻阻尼振蕩，從而避免絕緣的快速老化，延長電機的使用壽命。

【參考文獻】

[1]邱關(guān)源電路（第四版）北京：高等教育出版社

[2]馬洪飛﹑徐殿國﹑姜艷姝.中國電機工程學報[M].北京：電子工業(yè)出版社