1. 輸出濾波器概述
1.1 輸出濾波器的應用需求
驅動器類應用場景,特別是高壓場景,通常使用輸出濾波器來達到現場應用需求。
輸出濾波器的作用與場景應用需求:
(1)電機的絕緣保護;
(2)降低電機噪聲;
(3)降低電機電纜中的高頻電磁干擾;
(4)降低電機的軸承電流和軸電壓;
1.2 輸出濾波器類型
常用的輸出濾波器有正弦波濾波器、dU/dt濾波器和高頻干擾抑制濾波器;
(1)正弦波濾波器:適用于高于額定開關頻率,但不得在低于額定開關頻率的20%;
(2)dU/dt濾波器:適用于低于額定開關頻率,但較高的開關頻率會導致濾波器過熱,應盡量避免使用;
(3)高頻干擾抑制濾波器:適用于降低輸出電磁干擾場合,一般為輸出磁環濾波器;
2. 電機的絕緣保護
2.1 輸出電壓的形成
變頻器的輸出電壓是上升時間tr的脈寬調制的梯形脈沖。當逆變器橋工作時,IGBT開關形成的dU/dt,會增加電機端子側的電壓,主要取決于以下因素:
- 電機電纜(類型、橫截面、長度、屏蔽或未屏蔽、分布電感和分布電容);
- 電機的高頻浪涌沖擊;
由于電纜特性阻抗與電機電涌阻抗之間的阻抗不匹配而產生反射,導致電機端子的振鈴電壓超調,如下圖:
變流器輸出電壓和電機端子電壓示例
2.2 特征阻抗對電壓的影響
(1)電機特征阻抗隨著電機尺寸的增大而減小,從而使與電纜阻抗的失配減??;
(2)較低的反射系數(Γ)降低了波反射,從而導致電壓超調;
(3)在并聯電纜的情況下,電纜的特性阻抗降低,導致反射系數越高,超調越高;
(4)不同功率電機的反射系數:
反射系數的典型值
2.3 上升沿tr的測量與dU/dt的計算
(1)輸出電壓的測量:在電機端子上測量相間電壓、相電壓的上升時間tr和峰值電壓Upeak值;
(2)tr的測量方法主要有兩種;
國際IEC標準:將上升時間tr定義為峰值電壓峰值的10%至90%之間的時間;
IEC的tr
美國NEMA標準:將上升時間定義為最終穩定電壓的10%到90%之間的時間;
NEMA的tr
(3)dU/dt計算
2.4 Upeak和tr的關系
各標準和技術規范提出了不同電機類型的Upeak和tr的限制;
- IEC60034-17-通用電機,500V電機的極限線;
- IEC60034-25-變流器額定電機的限值:曲線A適用于500V電機,曲線B適用于690V電機;
- NEMA MG1-明確逆變器用途的電機;
Upeak和tr的關系
在實際的應用中,當Upeak和tr超過了適用于所用電機的限制,應使用輸出濾波器來保護電機絕緣。
3. 降低電機聲噪聲
(1)電機產生的聲噪聲主要有三個來源。
- 電機磁芯通過磁致伸縮而產生的磁噪聲;
- 電機軸承產生的噪聲;
- 電機通風所產生的噪音;
(2)當變頻器控制電機時,施加給電機的脈寬調制(PWM)電壓在開關頻率和諧波(主要是開關頻率的兩倍)處產生額外的磁噪聲;
(3)在某些應用場合中是不可接受的,為了消除這種額外的開關噪聲,應使用正弦波濾波器,對變頻器的脈沖形電壓進行濾波,使其在電機端子為相對相的正弦電壓;
4. 降低電機電纜中的高頻電磁干擾
4.1 高頻電磁干擾形成與特點
(1)當不使用輸出濾波器時,在電機端子發生的振鈴電壓是主要的高頻干擾源。
(2)電機端子上電壓振鈴的頻率與電機電纜中高頻傳導干擾的頻譜相關。
振鈴電壓與傳導干擾關系
(3)除了以上干擾成分外,還有其他的噪聲成分:
- 相地間的共模電壓及其諧波:低頻高振幅;
- IGBT引起的高頻干擾(10MHz以上):高頻但振幅低;
4.2 輸出濾波器對電磁干擾的貢獻
(1)使用dU/dt濾波器的情況下:振鈴振蕩的頻率降低到150 kHz以下;
(2)使用正弦波濾波器的情況下:振鈴振蕩被完全消除,電機端電壓為正弦波;
(3)傳導干擾試驗對比:
無輸出濾波器
有正弦波濾波器
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