王清云
（黑龙江龙煤鹤岗矿业有限责任公司富力煤矿，黑龙江 鹤岗 154100）
【摘 要】变频器输出的PWM高频电压经过长距离动力电缆传输后，由于电缆漏电感和耦合电容的作用，在电机端会形成很高的尖峰电压，破坏电机绝缘，降低电机使用寿命。着重研究了电机端差模电压及尖峰电压的抑制技术，并通过测试验证，证明其对电机端差模电压及尖峰电压有明显的抑制作用。
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关键词 变频器；LRC滤波电路；差模干扰
作者简介：王清云，本科，毕业于黑龙江科技大学电气及其自动化专业，黑龙江龙煤鹤岗矿业有限责任公司富力煤矿动力科提升队，助理工程师，从事技术工作。
0 引言
变频器用于交流电动机转速的调节是理想的调速方案，具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，尤其二电平变频器其电路结构和控制都比较简单，具有技术成熟、效率高、动态性能好、体积小、成本低等优点，在轧机、起重机、电力机车牵引及风机、水泵调速等方面得到了广泛的应用。现在随着电力电子技术的发展，提高了电力电子器件的开关频率，也缩短了功率器件的开通和关断时间，改善了PWM变流器的性能。然而，开通时间的缩短直接导致了器件承受电压上升时间的缩短，给电机的绝缘带来了不良的影响，当电压的变化率dv/dt较大时，易引起电机绕组绝缘过早损坏，特别是在一些工业应用领域，PWM变流器与驱动电机可能处于不同的位置，需要用较长的电缆进行连接，而长电缆的传输会导致PWM脉冲在电机端产生过高电压，加重了电机绕组绝缘的负担。
本文在分析较高的电压变化率dv/dt对电机端电压影响的基础上，通过实验验证了通过L、R、C参数的匹配，二阶LRC滤波器对电机端差模电压干扰及尖峰电压具有很好的抑制作用。
1 变频器
变频器是利用电力半导体器件将工频电源变换成可调频率和可调电压的交流电源，输出供给其他设备使用，它结合了变频技术与微电子等高新技术，最常用的就是给电机提供电源，实现电机的变频调速，由于变频调速具有可实现无级调速、可靠软启动、节能降耗等诸多优点，被广泛应用于节能降耗、精度自控及提高工艺水平和产品质量等方面。
2 差模干扰
差模干扰就是线与线之间的干扰，在两根信号线之间传输，干扰幅值相等相位相反，属于对称性干扰，差模干扰有时也称为常模干扰、横模干扰或对称干扰，这种干扰加载于有用信号上，直接影响测量与控制的精度。
逆变器输出的高频电压脉冲波经电缆传输至电机侧，电缆具有漏电感与耦合电容，PWM脉冲波在电缆中传输时存在行波，当电缆的波阻抗与电机的等效阻抗不匹配时，会在电机端发生反射现象，因此变频器输出的差模电压通过长电缆传输在电机端发生电压反射后，会导致电机端电压峰值增加，从而加重电机绕组绝缘老化，甚至绝缘击穿。
３ 滤波器电路的组成部分
用在变频器输出端的二阶LRC滤波器组成部分主要有输出电抗器、电阻器和吸收电容器，其电路结构简图如图1所示。
4 滤波器参数选择注意事项
4.1 电感L的选择
滤波电感L的选择首先要考虑基波在电感上的压降不能超过一定的范围，一般要求在3％～5％；其次，电感值的选择要使谐波电流的有效值在逆变器电流容量的10％～20％，避免逆变器可能由于谐波电流过大而进入保护状态。
4.2 电阻R的选择
当电阻R取值不同时，滤波器的阻尼也不相同：R取值越大，阻尼越大，超调量越小，但对转折频率以上高频分量的滤除效果越差；R取值越小，阻尼越小，超调量越大，但对转折频率以上的高频分量的滤波效果越明显。
电阻取值过小，滤波器本身输出的电压超调量增大，导致电机端过电压增大，从而达不到预期的目的；电阻取值过大，滤波器对转折频率以上的高频分量的滤波效果不理想，并不能有效地延长电压的上升时间，从而还会导致电机端产生较大的电压尖峰。电阻的选取，需要权衡滤波器的超调量和对高频分量的滤除效果。
另外还应采用无感电阻且充分考虑电阻消耗能量的散热功率问题，保证电阻发热在电阻要求的范围内。
4.3 电容C的选择
在低频即调制基波频率范围时，容抗大于感抗，此时电容是主要的限流元件。电容值决定电容支路的基波电流，从而影响基波损耗。选择电容值时要使得空载时流经电容支路的基波电流不超过逆变器电流输出容量的10％。
5 实验验证
5.1 实验设备
（１）变频器参数：
型号：ZBT2-630/1140K
额定功率：630kW 额定电压：1140V
额定电流：401A 直流母线稳压：1830V
（2）电机参数：
型号：JS1510-4 额定功率：850kW
额定电压：1140V 额定电流：512.5A
额定转速：1485r/m 接法：Y
（3）滤波器参数：
L：0.15mH R：60Ω/3000W C：0.2uF
（4）测试仪器：
TPS2014四通道隔离示波器 1台
P5100高压探头 1根
5.2 实验步骤
（１）实验按照图2进行接线，变频器输出接线端到电机接线端电缆长度为50米。
（2）将变频器的逆变器输出直接接电机，运行整流器，直流母线电压稳压至1830V，逆变器带电机V/F频率控制方式运行。测试电机端U相和V相之间的线电压波形如图3（a），线电压峰值Uuv-max为2.8kV，电压上升时间波形如图3（b），电压上升时间tr为1.12μs。
（３）将变频器输出端接上输出滤波器，输出滤波器输出端接电机。运行整流器，直流母线电压稳压至1830V，逆变器带电机V/F频率控制方式运行。测试电机端U相和V相之间的线电压波形如图4（a），线电压峰值Uuv-max为2.02kV，电压上升时间波形如图4（b），电压上升时间tr 为6.60μs。
5.3 实验结论
（１）标准要求：《GB/T 22720.1-2008即旋转电机 电压型变频器供电的旋转电机Ⅰ型电气绝缘结构的鉴别和型式试验》中对基于2电平变频Ⅰ型绝缘结构应力类型分类对尖峰系数及冲击上升时间要求：
（2）未接入LRC输出滤波器时，测试尖峰系数Up/Udc为2800/1830=1.53，冲击上升时间为1.12us，应力类型高于B—中等；接入LRC输出滤波器后，测试尖峰系数Up/Udc为2020/1830=1.10，冲击上升时间为6.60us，应力类型属于A—温和，测试效果良好。
6 总结
本文对变频器输出高频PWM电压的差模干扰及在电机端产生尖峰电压的问题进行了讨论，提出用LRC滤波电路解决差模干扰及电机端尖峰电压的方案。介绍了滤波电路中L、R、C参数选择的注意事项，并通过对选取的参数进行实验测试，测试结果满足设计要求，可以很好的应用于变频器输出端，有效减小电机端线电压间的尖峰电压值，增大电压冲击上升时间，减小电压变化率dv/dt，减弱变频器输出的高频PWM电压对电机绝缘的影响。
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参考文献
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［责任编辑：汤静］