隔爆型變頻調速一體機變頻器輸出側的有源濾波器研究

陳鵬程+衣麗葵

摘 要：通過matlab/simulink軟件搭建仿真模型，驗證了有源濾波器對隔爆型變頻調速一體機變頻器電源產生的諧波具有動態調節抑制的作用，可以顯著的減小變頻器電源諧波對電動機的影響。

關鍵詞：變頻電機；有源濾波器；諧波抑制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.014

0 引言

隨著交流調速技術的發展，異步電動機的結構簡單，運行可靠，便于維護、價格低廉等優勢越發明顯。交流變頻調速系統已被廣泛應用在鋼鐵冶煉、礦山開采等領域，并且有較好的社會效益[1]。目前工程上大多采用在變頻器電源與電動機之間加入傳統的無源濾波器的方法濾除諧波來減小變頻電源產生的諧波對電動機的影響，無源濾波器擁有成本較低、結構簡單、運行可靠、維護方便等優點因此得到了廣泛的應用，但其體積大，濾波效果與電源的運行情況密切相關，由于變頻系統電源輸出電壓和頻率不像電力系統中較為穩定，它是根據工況需求而改變的所以可能導致輸出電源中的諧波也隨著變化[2]。隨著電力電子技術的進步，有源濾波器得到了迅速發展。有源濾波器通過產生與諧波大小相等方向相反的波形來抵消電源諧波，可動態濾除各次諧波。

1 隔爆型變頻調速一體機

隔爆型變頻調速一體機把變頻器電源與電動機封裝為一個整體，有效的避免了由于長導線給電動機帶來的負面影響，擁有體積小、重量輕、電磁干擾小、系統電壓高、使用成本低等優點，在礦井下主要用于采煤機牽引、刮板輸送機、皮帶機等[3]。但是變頻器電源大多采用PWM調制技術，輸出不同寬度的矩形波，由等面積定則等效成正弦波給電動機供電，如圖1所示。變頻器輸出的PWM電壓有很高的開關頻率，脈沖上升時間很短，會影響電動機的絕緣性能[4]。而且矩形波中含有大量的諧波，這些諧波會對感應電動機的正常運行造成不小的干擾，比如導致損耗增加，使得效率和功率因數下降，溫升增加，轉矩脈動增大、震動噪聲加大以及繞組絕緣易老化等現象發生，甚至引起系統的不穩定。諧波損耗可分為定、轉子繞組的附加銅耗、鐵耗、雜散損耗等[5]。可見減小和避免變頻電源對電動機的負面影響具有重要的意義。

2 有源濾波器原理

有源濾波器的工作原理是用電流互感器采集直流線路上的電流，經A/D采樣，將所得的電流信號進行諧波分離算法的處理，得到諧波參考信號，作為PWM的調制信號，與三角波相比，從而得到開關信號，用此開關信號去控制IGBT單相橋，根據PWM技術的原理，將上下橋臂的開關信號反接，就可得到與線上諧波信號大小相等、方向相反的諧波電流，將線上的諧波電流抵消掉。這是前饋控制部分。再將有源濾波器接入點后的線上電流的諧波分量反饋回來，作為調節器的輸入，調整前饋控制的誤差。

3 仿真驗證

本文通過matlab/simulink軟件進行隔爆型變頻調速一體機變頻器輸出側的有源濾波器仿真研究。變頻電源部分由系統電源，整流變壓器，整流電路，升壓電路，逆變電路組成。負載電機參數為隔爆型變頻調速一體機的實際參數。有源濾波器采用并聯電壓型有源濾波器。在變頻電源與電動機之間并聯接入有源濾波器，對接入之前和接入之后的電動機輸入電壓進行傅里葉諧波分析，得到的結果如圖2 圖3 所示。可以明顯的看出有源濾波器對于各次諧波均有良好的抑制效果，其中個別較大的諧波超過了有源濾波器容量，可以用LC器件組成的無源濾波器濾除。

4 總結

有源濾波器能夠動態的濾除隔爆型變頻調速一體機變頻器電源產生的諧波分量，但是由于有源濾波器本身的容量限制，可以與LC器件組成的無源濾波器配合來減小諧波分量對電動機的負面影響。

參考文獻：

[1]寧亭，陶醒世，柳哲.變頻調速異步電動機的設計策略[J].華中理工大學學報，1995，23（04）：12-15.

[2]肖湘寧，徐永海，劉昊，鄭文兵，周仁華.混合型有源電力補償技術與實驗研究[J].電力系統自動化，2002：39-44.

[3]張振偉.礦用隔爆型變頻一體機的設計和分析[D].威海：山東大學，2015.

[4]郭宇婕，黃立培，姜建國.變頻器供電對異步電機絕緣的影響[J].大電機技術，2001：25-28.

[5]于江華.隔爆一體式變頻電機諧波抑制技術研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2015.