PWM逆变器端过电压滤波器设计

AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyVol.25,No.4Oct.2006PWM逆变器端过电压滤波器设计

高󰀁强,马洪飞,徐殿国

(哈尔滨工业大学电气工程系,黑龙江哈尔滨150001)

摘要:PWM逆变器通过长线电缆与电机连接时,由于电缆分布参数的影响会在电机端产生2倍的过电压,从而使电机承受的应力大为增加。本文在对电压脉冲上升时间与电缆长度关系分析的基础上,提出了一种改进型的逆变器端无源滤波器。通过对滤波器传递函数特性分析,给出了具体的参数选取原则与设计方法。采用本文提出的滤波器可以使电机端的过电压得到对称的抑制,通过在380V󰀁3KW电机系统的实验,验证了该滤波器的有效性,取得了良好的效果。关键词:PWM逆变器;过电压;电压反射;滤波器

中图分类号:TM86󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁

文章编号:1003󰀁3076(2006)04󰀁0027󰀁03

1󰀁引言

现代变频技术在改善PWM逆变器的性能的同时也产生了严重的负面效应。如由PWM逆变器直接驱动电机系统会产生与开关频率相同的高dv󰀁dt的差模电压,使电机所承受的应力大为增加,特别是当逆变器与通过长线电缆与电机相连接时,如油田钻井、海底勘探等场合,电缆引线甚至可以达到几千米,由于长线电缆分布参数的影响,即存在分布电感和分布电容,使得电缆线上存在行波。当电缆的波阻抗与电动机的等效阻抗不匹配时,在电动机端产生电压反射现象。入射波电压与反射波电压叠加后,在电动机端产生过电压、高频阻尼振荡,导致产生更大的差模dv󰀁dt,加剧电动机绕组的绝缘压力,使电动机的绝缘迅速老化甚至烧毁电机。针对上述问题,国内外学者进行了相关的研究并取得了一些研究成果。文献[1]对由于电缆分布参数的影响在电机端产生的过电压进行了分析,并提出了通过增加电缆屏蔽的方法改变电缆参数从而达到抑制过电压的目的。但这种方法在实际的应用过程中有较大的困难。文献[2]提出了一种在逆变器端采用滤波器的方法来实现抑制过电压的目的,但只给出了滤波器的结构,对滤波器的参数设计方法没有给出。文献[3]对PWM电压脉冲的上升时间

收稿日期:2006󰀁04󰀁13

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50377008)

与电缆长度之间的关系做了仿真方面的研究,得出了通过延长电压脉冲上升时间可以减少电机端过电压的结论,但对实际应用中如何实现没有给出具体

的方法。目前,对过电压的抑制大多采用在电机端加RC滤波器的方法吸收电压反射的能量,并取得了较好的效果。但在许多实际应用中,如石油钻井、海底勘探等场合,电机端子无法接近,因此这种方法有一定的局限性。本文在详细分析电压脉冲上升时间与电缆长度关系的基础上,提出了一种逆变器端无源滤波器,它通过延长逆变器端输出电压脉冲上升时间的方法,消除由于长线传输时电压反射造成的过电压及高频震荡现象,从而提高电机的使用寿命。

[3~6]

2󰀁PWM电压脉冲上升时间和电缆长度的

关系

󰀁󰀁逆变器的输出脉冲由逆变器传输到电动机所需要的时间tt为

l(1)

v

其中,tt为脉冲在电缆上传输一次所需时间;l为电

tt=

缆长度。

经过时间tt后,正向传输的逆变器输出脉冲在电动机端被反射,结果产生反向行波,向逆变器方向

作者简介:高󰀁强(19󰀁),男,黑龙江籍,教授,在职博士,主攻电力电子与电力传动、变频软启动等研究;

马洪飞(1972󰀁),男,黑龙江籍,副教授,博士,主攻电力电子与电力传动、风力发电等;

徐殿国(1960󰀁),男,黑龙江籍,教授󰀁博导,主攻电力电子与电力传动、照明电子、网络家电、电网品质等。󰀁28󰀁󰀁电工电能新技术

且过电压峰值几乎达到100%。

第25卷

行进,当tt小于逆变器输出PWM电压上升时间tr时,其幅值为

Ut(tt)=

ttUDCN2

tr

(2)

其中N2为电机端(终端)电压反射系数。当tt󰀂tr时,其幅值为

Ut(tt)=UDCN2

其中,UDC为直流母线电压。

由式(3)可知,当tt󰀂tr时,上升时间不再与反射电压有关。一般,当电缆长度小于15m时,ttUpeak=

3lUDCN2

+UDC

vtr

(4)

[7]

(3)

图1󰀁逆变器及电机端电压脉冲波形

Fig.1󰀁Voltagewaveformatinverterterminalandmotorterminal

3󰀁逆变器输出端过电压滤波器参数设计

图2为本文提出的在逆变器端采用LRC无源滤波器的系统结构图。与传统的滤波器结构不同,本文将滤波器的星接点与直流母线的中点连接在一起,这样做可以对差模电压的dv󰀁dt得到对称的抑制,同时也可以使在计算滤波器的参数时得到简化处理。

当tt󰀂tr󰀁3时,线电压峰值为

Upeak=UDCN2+UDC

得,归一化的电动机线电压峰值为

Upeak3lN2

=+1UDCvtr当过电压最小或无过电压产生时,有

3lN2

vtr󰀂1

(7)(5)

󰀁󰀁对较长的上升时间,即当tt图2󰀁逆变器端无源滤波器系统结构图

Fig.2󰀁Systemstructureofpassivefilteratinverterterminal

(6)

为方便设计将图2中LRC滤波器等效成单相电路的结构图,其结构图如图3所示。

若定义当过电压为20%时,对应不同电缆长度的上升时间为临界上升时间,则把电压超调20%代入式(6),可计算出临界上升时间tcr为

15lN2

tcr=

v

[4]

图3󰀁滤波器的单相等效电路

(8)

Fig.3󰀁Single󰀁phaseequivalentcircuitoffilter

󰀁󰀁v为电压脉冲在长线电缆的传播速度,一般为光速的1󰀁2。当电缆长度确定后,电压脉冲的上升

时间越短,电机端的过电压越严重;当电压脉冲上升时间确定后,电缆长度越长,电机端的过电压越严重。图1为电缆长度为100米时逆变器及电机端单个PWM电压脉冲的实际波形对比。逆变器采用AB1336PLUS,电机容量3KW。可见变频器端每出现一次电压变化,都会在电动机端产生电压反射现象,

[7]

其传递函数为

Vo(s)RfCfs+1

H(s)==2Vi(s)LfCfs+RfCfs+1

Rf1s+2LfLfCf2󰀁󰀂ns+󰀂n

==2(9)2󰀁Rf21s+2󰀁󰀂ns+󰀂n

s+s+

LfLfCf

其谐振角频率为

第4期

󰀂n=

阻尼比为

=

Rf

!2

CfLf1LfCf

高󰀁强,等:PWM逆变器端过电压滤波器设计

L0

=C0

-629󰀁

1 18∀10-9=1#

0 033∀10

(10)

Rf=ZC=

(11)

(19)

对于长度为100m的电缆,假设电机端反射系数N2=0 9,由式(8)得,临界上升时间tcr为

tcr=

15lN215∀100∀0 9==8 4375∀s8v1 6∀10

(20)

此时滤波器的截止频率fc为

fc=

1=59 26kHz2tcr

!

=372336 9rad󰀁stcr

(21)

首先,滤波器的阻尼电阻Rf按照过阻尼电路进行设计,即应使

Rf

=!

2

则有

Rf󰀂2

LfCf

(13)

Cf

󰀂1Lf

(12)

截止角频率为

󰀂n=2!fc=

(22)

󰀁󰀁由于滤波电容在高频时近似短路,当逆变器通过长线电缆与电机连接时,滤波电阻应与电缆的特性阻抗相等,以吸收反射能量,则有

Rf=ZC=

L0

C0

(14)

对应此截止频率的衰减为3dB,并考虑到式(13),可计算出滤波电感和滤波电容的值为

Lf=0 6mH

Cf=227 47nF

(23)(24)

󰀁󰀁其次,需要确定滤波器的截止频率fc。变频器输出的PWM电压信号为近似方波的脉冲信号,根据傅立叶级数可知,其边沿的上升斜率由其最高频分量所决定,根据采样定理,最高频分量的周期Tc应为临界上升时间的2倍,即

Tc=2tcr

而截止角频率󰀂n为

!󰀂n=2!fc=t

cr

滤波器的频率特性为

H(j󰀂)=

1+j󰀂RfCf21-󰀂LfCf+j󰀂RfCf

(17)(16)(15)

󰀁󰀁图4a)为电缆长度为100米,没有滤波器时电机端线电压的实际波形,实验用电机容量380V󰀁3KW,逆变器采用AB1336PULS,可见电机端的过电压几乎达到100%;图4b)为采用本文提出的滤波器结构,参数为Rf=190#,Lf=0 6mH,Cf=220nF时电机端线电压波形,可见电机端的过电压得到了较好的抑制。

而对应截止角频率󰀂n的衰减应为

120lgH(j󰀂)

n

=3dB

(18)

图4󰀁电机端线电压对比

Fig.4󰀁Comparisonofline󰀁to󰀁linevoltageatmotorterminal

因此,当截止频率确定后,根据式(10)、(13)、(16)、(18)即可计算出滤波电感和滤波电容的具体数值。

5󰀁结论

PWM逆变器通过长线电缆与电机连接时会在电机产生高dv󰀁dt的过电压。当电压脉冲传输到电机端的时间大于电压脉冲上升时间的1󰀁3时,在电机端产生的过电压可达逆变器输出电压的2倍。通过在PWM逆变器端采用本文提出的LRC滤波器,可以使由于长线电缆分布参数的影响而在电机端产生的过电压得到有效的对称抑制,滤波器的参数与󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

(下转第51页,cont.onp.51)

4󰀁设计举例

假设实验中的电缆分布参数如表1所示。

表1󰀁电缆的分布参数

Tab.1󰀁DistributionparametersoflongcableC00 033nF󰀁m

L0

1 18∀H󰀁m

R0

0 02#󰀁m

则滤波器的电阻第4期秦海鸿,等:双凸极电机非理想的霍尔位置信号对电机运行的影响2.HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China)

51󰀁

Abstract:Hallsensorsarecommonlyusedindoublysalientmotorforitssimplestructureandeasy󰀁to󰀁usecharacteristics.However,reqairementsoninstallingaccuracyofhallsensorandmachiningaccuracyofrotortoothforhallsensor,andsignaldelaycharacteristicsofhallsensorwillcausethenon󰀁idealhallsensorsignalproblem,whichaddsthedifficultyofadjustinghallsensortooptimumposition,andimpactstheoperationperformanceofthemotor,alsothemotorcannotoperatenormally.Theanalysisonthisproblemisdetailed,withtheproposedsolutionstotheengineeringproblem.Atlast,experimentalresultsfroma12󰀁8󰀁polehybridexcitationdoublysalientmotorverifythecorrectnessandpracticabilityofthesolutions.

Keywords:doublysalientmotor;hallsensorsignal;non󰀁ideal;rotortooth;signaldelay

(上接第29页,cont.fromp.29)

电缆特性阻抗、电缆长度以及终端电压反射系数有关。与在电机端采取滤波的方法相比较,在逆变器端采用无源滤波器具有安装与维护更加方便的特点,在380V󰀁3KW电机系统的实验验证了滤波器的有效性。

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PWM逆变器驱动电机端电压的影响(Effectsofcable󰀁󰀁

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马洪飞,徐殿国(MaHongfei,XuDianguo).消除PWM逆变器驱动交流电动机长线电缆影响的无源滤波技术(PassivefilteringtechniquestoeliminatetheeffectoflongmotorleadsonPWMinverter󰀁fedACmotordrives)[J].电工技术杂志(ElectrotechnicalJournal),2001,(6):26󰀁29.

Designofover󰀁voltagefilteratPWMinverteroutputterminals

GAOQiang,MAHong󰀁fei,XUDian󰀁guo

(DepartmentofElectricalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

Abstract:Thevoltageatmotorterminalwouldbedoublebecauseoftheeffectsofcabledistributedparameterswhen

motorisfedwithPWMinverterthroughalongcablethereforeresultinginaheavystressonmotor.Inthispaper,animprovedpassivefilterstructureinstalledatinverterterminalsisproposedonthebasisofanalyzingtherelationshipoftherisingtimeandthelengthofcable.Theprinciplefortheselectionofparametersanddetaileddesignprocedurearegiven.Theover󰀁voltageatmotorterminalcouldbemitigatedsymmetricallybytheproposedfilter.Thevalidityoftheproposedfilterissupportedbytheexperimentalresultswhichistakenona380V󰀁3KWmotorsystem.Keywords:PWMinverter;over󰀁voltage;voltagereflection;filter