中壓變頻器輸出濾波器的研究

王云河

（海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢430064）

0 引言

中壓變頻器（以下簡稱變頻器）的調制方法仍然采用PWM技術。通過PWM調制，使得功率管IGCT有規律的開通與關斷，以實現變頻變壓的目的，但是同時也會帶來一些負面效應。首先，IGCT的高速開關特性會在變頻器的輸出端產生高的dv/dt，尤其當變頻器和電動機之間不可避免的通過長電纜連接時，由于長線電纜存在分布電感和分布電容，將產生反射波現象，使電動機輸入端的 dv/dt加倍，縮短電機的使用壽命。其次，變頻器的輸出波形中含有大量的高次諧波使電動機過熱，影響電機絕緣，諧波還會引起電機轉矩脈動，噪音增加等。因此，濾波器的設計就顯得尤為重要。

目前可以抑制諧波的濾波器分為兩種，即有源濾波器和無源濾波器。無源濾波器與有源濾波器比較，具有不需要控制，價格低廉等特點。本文主要講述應用于中壓變頻器的輸出無源濾波器（LC濾波器）的設計。

1 LC濾波器的工作機理

輸出濾波器的拓撲結構有多種，在考慮到經濟性、實用性等因素后，選擇如圖1所示的LRCL濾波結構。

圖1 LRCL濾波器

中壓變頻器是三電平H橋結構，基于這種變頻器拓撲結構選擇對稱結構的濾波電感，其原因是當變頻器輸出電流改變方向時，也能先抑制dv/dt，阻止變頻器產生的高次諧波通過，保護電機；當負載短路時，能增加負載電流的上升時間，這樣可以預留給控制足夠的時間去封鎖脈沖，保護功率管IGCT。電容器C為變頻器產生的高次諧波提供旁路，并且減小變頻器輸出的高的dv/dt。電阻R則起阻尼作用防止或抑制諧振的產生，當選擇的諧振頻率在截止頻率之外時，可以不用電阻R。本文設計的濾波器就沒有加電阻R。

參照圖1，電阻R=0；負載有功功率P0，無功功率Q0，功率因數角φ0；變頻器輸出有功功率Pi，無功功率Qi，功率因數角φi；負載的基波頻率為f；可以得到如下的關系式，

負載的有功電流，無功電流為，

濾波器電容C的基波電流，

變頻器單個H橋輸出的有功電流、無功電流為，

變頻器單個H橋輸出的總電流為，

濾波器電感L上的基波壓降為，

Ii1為變頻器單個H橋輸出的基波電流，考慮到其它諧波的影響，實際上濾波電感承受的電壓大于UL。

功率管IGCT可承受的最大電壓和電流有限，當負載要求變頻器輸出額定電壓和額定電流的時候，合理的設計LC的參數，可以提高功率管IGCT的電壓和電流裕量，保護功率器件。

濾波電容C的合理選擇，可以給負載提供所需的無功電流，從而減小變頻器輸出的電流；濾波電感L的合理選擇，可以減少電感上的壓降，從而可以提高變頻器輸出的電壓利用率。

2 LC的選取原則

根據上面的分析LC的選取應該參照以下幾個原則：

1） 盡可能的降低濾波電感L上的壓降。

2） 盡可能的使濾波電容C上的無功功率與負載上的無功功率匹配。

3） 滿足電動機對變頻器輸出的諧波要求。

4） 滿足電動機在考慮到絕緣時，對變頻器輸出的dv/dt的要求。

3 波器截止頻率fc選取原則

[4][5]中講到，在二電平逆變器電路中，變頻器輸出脈沖電壓的頻率等于開關頻率；在三電平逆變器中，變頻器輸出的脈沖電壓的頻率等于開關頻率的2倍。根據Nyquist采樣定理，可知采樣頻率fs和開關頻率fk之間必須滿足fs≥fk，由于中壓變頻器選擇三電平H橋結構，因而濾波器截止頻率fc必須滿足：

在高壓變頻系統中，為確保濾波器優良的濾波效果，其截止頻率cf可降低到理論諧振頻率的1/3，因而濾波器截止頻率應滿足，

4 中壓變頻器三電平 H 橋的仿真與試驗結果分析

中壓變頻器所帶阻感負載參數：cosφ=0.85，P=1.4 MW，η=0.965，I=680 A。由以上的分析，選擇與負載相匹配的LC濾波器的參數為：L=1 mH，C=15 μF。參照圖2。

圖2 中壓變頻器三電平H橋結構圖

利用MATLAB軟件，把負載參數和LC濾波器參數帶入系統中進行仿真研究，仿真結果如下：

圖3 阻感負載的電壓仿真波形

圖4 阻感負載的電壓試驗波形

圖5 阻感負載的電流仿真波形

5 濾波效果分析

濾波器設計的最終目的是在能夠輸出額定電壓和電流的情況下，對諧波的抑制效果和對dv/dt的抑制效果。

三電平H橋輸出的電壓電流諧波分析如圖7所示。

圖6 阻感負載的電流試驗波形

圖7 （a）LC濾波器之前的電壓諧波分析

圖7 （b）LC濾波器之后的電壓諧波分析

圖7 （c）LC濾波器之前的電流諧波分析

圖7 （d）LC濾波器之后的電流諧波分析

通過上面的分析結果可以看出，在LC濾波器之后，大部分諧波被濾除。

對照仿真電壓波形與試驗電壓波形，計算可以得到 dv/dt由濾波前的 5000 V/μs，降低到 50 V/μs。

參考文獻：

[1]楊建軍. 變頻器的諧波分析及治理. 電氣時代, 2007年第5期.

[2]陸繼明. 高壓變頻器輸出濾波器研究.高電壓技術,2002年11月, 第28卷第11期.

[3]姜艷姝. PWM變頻器輸出共模電壓抑制技術的研究.哈爾濱工業大學博士學位論文.

[4]Palma L, Enjeti P. An inverter output filter to mitigate dv/ dt effects in PWM drive system

[5][DB/OL]. Seven—teenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition I, 2002, 550—556.