濾波器對PWM變頻調速電動機端子上電壓波形的影響分析

1引言

隨著微電子技術和現代控制理論在交流變頻調速系統中的應用，變頻器(或逆變器)的性能也得到飛躍性的提高，并越來越廣泛地應用于工業(yè)生產和日常工作的許多領域之中。但是，變頻器輸出的具有陡上升沿或下降沿的脈沖電壓卻在電動機接線端子及繞組上產生了過電壓，造成電動機繞組絕緣的過早破壞。試驗研究表明，很高的電壓上升率(dv/dt)在電動機繞組上產生極不均勻的電壓分布，且隨著變頻器與電動機之間電纜(線)長度的增加，在電動機接線端子上產生高頻振蕩的過電壓，當電纜長度超過某一臨界值后，電動機端子上過電壓的幅值達到變頻器輸出電壓的2倍，長時間重復性的電壓應力的作用將導致電動機繞組匝間絕緣的過早破壞。

為了降低電動機端子上高頻振蕩的過電壓，最適宜的方法之一是在電動機端子上安裝特殊設計的濾波器。濾波器的參數與變頻器特性及電纜參數有關，然而變頻器、電纜及電機一般都不是同一制造商或銷售商提供，變頻器的開關特性、電纜參數及長度的不確定性，使得濾波器的參數選擇具有不固定性。關于濾波器的參數與電機端電壓或電流特性的關系，目前還未有系統研究的報道。本文主要研究在不同電纜長度下，濾波器的參數對電機端電壓特性的影響，確定電纜長度、濾波器的電阻和電容與電機端子過電壓幅值及脈沖上升沿時間的關系，找出濾波器參數的選擇范圍，為變頻調速驅動系統的制造和使用提供試驗依據和理論基礎。

2試驗研究及分析

PWM變頻調速驅動系統中，造成電機端子產生高頻振蕩過電壓的原因，用傳輸線理論可以很好地解釋，并且通過試驗研究也進一步得到證實，它是造成電機絕緣過早破壞的原因之一，因此為了延長電機壽命，除了提高電機自身的絕緣水平外，還必須盡最大可能抑制過電壓的浪涌沖擊。

21濾波器與驅動系統的等值電路

在電動機端子上安裝阻抗匹配器可以很大程度地消弱過電壓，最簡單的是并聯一個與電纜的波阻抗接近的電阻，但由于電纜(線)的波阻抗很小，一般為10Ω～500Ω，故并聯電阻上的功耗很大，達到數百至數千瓦，因此一般不采用純電阻匹配器，通常都采用一階RC低通濾波器。

無源低通一階阻尼濾波器是電阻和電容串聯后并接在電機接線端子相—相上，根據傳輸線一次波過程的彼得遜(Petersen)規(guī)則，濾波器與變頻器、電纜和電機組成了如圖1所示的等值電路，其中2US為等值電源電壓，US即為變頻器輸出電壓，Z0為等值電纜波阻抗，Zm為電機繞組波阻抗，Rf為濾波器電阻，Cf為濾波器電容。

圖1一次波過程的等值電路

圖2電動機端子上電壓上升沿波形與濾波器電容Cf和電阻Rf的關系

(a)Cf=0.08μF(b)Cf=0.02μF

(c）Cf=0.005μF(d)Cf=0.001μF

以前研究中已經證實，在通用PWM驅動變頻器的載波頻率(600Hz～15kHz)下，平均脈沖寬度在數十微秒以上，而由波過程產生的高頻振蕩過程一般約需十幾微秒，因此在分析PWM變頻器輸出的連續(xù)脈沖波的波過程時，可用一個階躍波的波過程來表示。

電纜的波阻抗Zc可通過測量單位長度的電容C0和電感L0來求得。本文采用低壓三相PVC絕緣護套電纜線，測得相—相間C0約為76×10－11F/m，L0約為65×10－7H／m，從而根據Zc=(L0/C0)1／2求得Zc約為92Ω。這里考慮電源有很小的內阻抗，因此對圖1中的等值電纜波阻抗Z0可近似取為100Ω。電動機由于是電感性負載，其波阻抗Zm遠大于電纜的波阻抗。