LRC濾波器抑制電機端差模電壓干擾及尖峰電壓的應用

王清云

【摘 要】變頻器輸出的PWM高頻電壓經過長距離動力電纜傳輸后，由于電纜漏電感和耦合電容的作用，在電機端會形成很高的尖峰電壓，破壞電機絕緣，降低電機使用壽命。著重研究了電機端差模電壓及尖峰電壓的抑制技術，并通過測試驗證，證明其對電機端差模電壓及尖峰電壓有明顯的抑制作用。

【關鍵詞】變頻器；LRC濾波電路；差模干擾

0 引言

變頻器用于交流電動機轉速的調節是理想的調速方案，具有調速范圍廣、調速精度高、動態響應好等優點，尤其二電平變頻器其電路結構和控制都比較簡單，具有技術成熟、效率高、動態性能好、體積小、成本低等優點，在軋機、起重機、電力機車牽引及風機、水泵調速等方面得到了廣泛的應用。現在隨著電力電子技術的發展，提高了電力電子器件的開關頻率，也縮短了功率器件的開通和關斷時間，改善了PWM變流器的性能。然而，開通時間的縮短直接導致了器件承受電壓上升時間的縮短，給電機的絕緣帶來了不良的影響，當電壓的變化率dv/dt較大時，易引起電機繞組絕緣過早損壞，特別是在一些工業應用領域，PWM變流器與驅動電機可能處于不同的位置，需要用較長的電纜進行連接，而長電纜的傳輸會導致PWM脈沖在電機端產生過高電壓，加重了電機繞組絕緣的負擔。

本文在分析較高的電壓變化率dv/dt對電機端電壓影響的基礎上，通過實驗驗證了通過L、R、C參數的匹配，二階LRC濾波器對電機端差模電壓干擾及尖峰電壓具有很好的抑制作用。

1 變頻器

變頻器是利用電力半導體器件將工頻電源變換成可調頻率和可調電壓的交流電源，輸出供給其他設備使用，它結合了變頻技術與微電子等高新技術，最常用的就是給電機提供電源，實現電機的變頻調速，由于變頻調速具有可實現無級調速、可靠軟啟動、節能降耗等諸多優點，被廣泛應用于節能降耗、精度自控及提高工藝水平和產品質量等方面。

2 差模干擾

差模干擾就是線與線之間的干擾，在兩根信號線之間傳輸，干擾幅值相等相位相反，屬于對稱性干擾，差模干擾有時也稱為常模干擾、橫模干擾或對稱干擾，這種干擾加載于有用信號上，直接影響測量與控制的精度。

逆變器輸出的高頻電壓脈沖波經電纜傳輸至電機側，電纜具有漏電感與耦合電容，PWM脈沖波在電纜中傳輸時存在行波，當電纜的波阻抗與電機的等效阻抗不匹配時，會在電機端發生反射現象，因此變頻器輸出的差模電壓通過長電纜傳輸在電機端發生電壓反射后，會導致電機端電壓峰值增加，從而加重電機繞組絕緣老化，甚至絕緣擊穿。

3 濾波器電路的組成部分

圖1 輸出濾波器原理圖

用在變頻器輸出端的二階LRC濾波器組成部分主要有輸出電抗器、電阻器和吸收電容器，其電路結構簡圖如圖1所示。

4 濾波器參數選擇注意事項

4.1 電感L的選擇

濾波電感L的選擇首先要考慮基波在電感上的壓降不能超過一定的范圍，一般要求在3%～5%；其次，電感值的選擇要使諧波電流的有效值在逆變器電流容量的10%～20%，避免逆變器可能由于諧波電流過大而進入保護狀態。

4.2 電阻R的選擇

當電阻R取值不同時，濾波器的阻尼也不相同：R取值越大，阻尼越大，超調量越小，但對轉折頻率以上高頻分量的濾除效果越差；R取值越小，阻尼越小，超調量越大，但對轉折頻率以上的高頻分量的濾波效果越明顯。

電阻取值過小，濾波器本身輸出的電壓超調量增大，導致電機端過電壓增大，從而達不到預期的目的；電阻取值過大，濾波器對轉折頻率以上的高頻分量的濾波效果不理想，并不能有效地延長電壓的上升時間，從而還會導致電機端產生較大的電壓尖峰。電阻的選取，需要權衡濾波器的超調量和對高頻分量的濾除效果。

另外還應采用無感電阻且充分考慮電阻消耗能量的散熱功率問題，保證電阻發熱在電阻要求的范圍內。

4.3 電容C的選擇

在低頻即調制基波頻率范圍時，容抗大于感抗，此時電容是主要的限流元件。電容值決定電容支路的基波電流，從而影響基波損耗。選擇電容值時要使得空載時流經電容支路的基波電流不超過逆變器電流輸出容量的10%。

5 實驗驗證

5.1 實驗設備

（1）變頻器參數：

型號：ZBT2-630/1140K

額定功率：630kW 額定電壓：1140V

額定電流：401A 直流母線穩壓：1830V

（2）電機參數：

型號：JS1510-4 額定功率：850kW

額定電壓：1140V 額定電流：512.5A

額定轉速：1485r/m 接法：Y

（3）濾波器參數：

L：0.15mH R：60Ω/3000W C：0.2uF

（4）測試儀器：

TPS2014四通道隔離示波器 1臺

P5100高壓探頭 1根

5.2 實驗步驟

（1）實驗按照圖2進行接線，變頻器輸出接線端到電機接線端電纜長度為50米。

（2）將變頻器的逆變器輸出直接接電機，運行整流器，直流母線電壓穩壓至1830V，逆變器帶電機V/F頻率控制方式運行。測試電機端U相和V相之間的線電壓波形如圖3（a），線電壓峰值Uuv-max為2.8kV，電壓上升時間波形如圖3（b），電壓上升時間tr為1.12μs。

（a）電機端UV線電壓波形 （b）電機端UV線電壓上升時間tr

（3）將變頻器輸出端接上輸出濾波器，輸出濾波器輸出端接電機。運行整流器，直流母線電壓穩壓至1830V，逆變器帶電機V/F頻率控制方式運行。測試電機端U相和V相之間的線電壓波形如圖4（a），線電壓峰值Uuv-max為2.02kV，電壓上升時間波形如圖4（b），電壓上升時間tr 為6.60μs。

（a）電機端UV線電壓波形 （b）電機端UV線電壓上升時間tr

5.3 實驗結論

（1）標準要求：《GB/T 22720.1-2008即旋轉電機 電壓型變頻器供電的旋轉電機Ⅰ型電氣絕緣結構的鑒別和型式試驗》中對基于2電平變頻Ⅰ型絕緣結構應力類型分類對尖峰系數及沖擊上升時間要求：

（2）未接入LRC輸出濾波器時，測試尖峰系數Up/Udc為2800/1830=1.53，沖擊上升時間為1.12us，應力類型高于B—中等；接入LRC輸出濾波器后，測試尖峰系數Up/Udc為2020/1830=1.10，沖擊上升時間為6.60us，應力類型屬于A—溫和，測試效果良好。

6 總結

本文對變頻器輸出高頻PWM電壓的差模干擾及在電機端產生尖峰電壓的問題進行了討論，提出用LRC濾波電路解決差模干擾及電機端尖峰電壓的方案。介紹了濾波電路中L、R、C參數選擇的注意事項，并通過對選取的參數進行實驗測試，測試結果滿足設計要求，可以很好的應用于變頻器輸出端，有效減小電機端線電壓間的尖峰電壓值，增大電壓沖擊上升時間，減小電壓變化率dv/dt，減弱變頻器輸出的高頻PWM電壓對電機絕緣的影響。

【參考文獻】

[1]姜艷妹，徐殿國，等.新型pwm逆變器輸出無源濾波器的研究[J].電機與控制學報，2005（1）.

[2]高強，馬洪飛，等.pwm逆變器端過電壓濾波器設計[J].電工電能新技，2006（4）.

[3]曾岳南.變頻器對電機性能的影響及其對策[J].電氣傳動自動化，2000，22（5）：9-12.

[4]馮志華，楊永強，陳慧，等.淺談變頻器與長電纜相連時電動機的失效現象[J].電工技術雜志，2002（11）：33-35.

[責任編輯：湯靜]