專利名稱：變頻器輸出dvdt濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種變頻器輸出DVDT濾波器。
背景技術(shù)：
DVDT,即dv/dt，電壓對(duì)時(shí)間的微分，用于描述脈沖電壓在跳變處的斜率，電氣工程里約定俗成寫成DVDT，也有寫成DUDT或du/dt的。使用變頻器調(diào)速是一種效益高、應(yīng)用廣泛的電力控制技術(shù)，變頻調(diào)速是利用PWM變頻技術(shù)，輸出PWM脈沖對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速；目前變頻器調(diào)速已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防等各種行業(yè)，而且具有越來(lái)越普及之勢(shì)。 然而，使用變頻器輸出的PWM脈沖驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速也存在著一些負(fù)面影響變頻器輸出的PWM脈沖電壓的DVDT很大，即PWM脈沖邊沿的斜率很大；當(dāng)由于安裝布局位置等關(guān)系，變頻器與電機(jī)之間通過(guò)長(zhǎng)電纜傳輸時(shí)，電纜超過(guò)臨界長(zhǎng)度，即脈沖在電纜中的傳輸時(shí)間超過(guò)脈沖上升時(shí)間的一半，由于長(zhǎng)電纜存在分布電感和分布電容的影響，在電機(jī)端發(fā)生電壓反射現(xiàn)象，在電機(jī)端出現(xiàn)上升沿具有尖峰的電壓，導(dǎo)致電機(jī)端電壓峰值增加，從而使電機(jī)繞組絕緣加速老化，甚至絕緣擊穿；同時(shí)變頻器輸出的共模電壓在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上感應(yīng)軸電流，PWM脈沖尖峰電壓使感應(yīng)軸電流加大，導(dǎo)致電機(jī)軸承加速損壞，這些都將影響電機(jī)的使用壽命甚至損壞電機(jī)。此外，變頻器產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)及周圍的電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生不良影響，而PWM脈沖尖峰電壓使諧波大大增加。隨著變頻器的應(yīng)用越來(lái)越普及，變頻器輸出的PWM脈沖所造成的危害也越來(lái)越大，但由于體積、重量、效率、發(fā)熱量以及成本等原因，變頻器生產(chǎn)廠家并不能解決這個(gè)問(wèn)題，因此發(fā)明一種降低PWM脈沖電壓的DVDT以降低PWM脈沖在電機(jī)端的尖峰電壓、減少PWM脈沖所造成危害的變頻器輸出DVDT濾波器迫在眉睫。使用變頻器輸出DVDT濾波器是解決變頻器輸出的PWM脈沖，在經(jīng)長(zhǎng)電纜傳輸所產(chǎn)生的尖峰電壓造成的危害之既簡(jiǎn)單有效而又成本較低的方法。變頻器輸出DVDT濾波器也適用于交流逆變器等同樣輸出PWM脈沖的設(shè)備。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種變頻器輸出DVDT濾波器。變頻器輸出的PWM高頻電壓脈沖經(jīng)電纜傳輸至電機(jī)端，當(dāng)電纜較長(zhǎng)時(shí)，電纜超過(guò)臨界長(zhǎng)度，即脈沖在電纜中的傳輸時(shí)間超過(guò)脈沖上升時(shí)間的一半，一般超過(guò)十幾米即為長(zhǎng)線電纜，由于長(zhǎng)線電纜存在分布電感和分布電容形成的特征阻抗，較電機(jī)的輸入阻抗小得多，電機(jī)的輸入阻抗與電纜的特性阻抗不匹配，PWM脈沖波在電纜中傳輸存在行波，當(dāng)電纜的波阻抗與電機(jī)的等效阻抗不匹配時(shí)，變頻器輸出的較高DVDT的PWM高頻電壓脈沖在長(zhǎng)線電纜上發(fā)生反射，在PWM上升沿與下級(jí)沿的峰值處產(chǎn)生尖峰電壓，在電機(jī)繞組上所產(chǎn)生的尖峰電壓可達(dá)到變頻器輸出電壓的2倍以上，給電機(jī)繞組絕緣造成很大壓力，將影響電機(jī)的使用壽命甚至損壞電機(jī)。DVDT越大即PWM脈沖電壓的上升或下降時(shí)間越短，則在電機(jī)端產(chǎn)生的尖峰過(guò)電壓越高，因此降低PWM脈沖邊沿的斜率，即降低PWM脈沖電壓的DVDT，是解決變頻器輸出的PWM脈沖經(jīng)長(zhǎng)電纜傳輸所造成的危害之最簡(jiǎn)單有效而又成本較低的方法。單相DVDT濾波器的電原理圖如圖6所示，由電感(電力系統(tǒng)稱為電抗器)L、電容C、電阻R組成，其中電容C電阻R組成的RC回路，R和C的相互位置可以互換。變頻器輸出的PWM電壓為近似方波的脈沖信號(hào)如圖I所示，PWM脈沖電壓未接DVDT濾波器經(jīng)長(zhǎng)線電纜傳輸?shù)诫姍C(jī)端產(chǎn)生的尖峰電壓如圖2所示。根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)可知，脈沖邊沿的上升斜率由其最高頻率分量決定，只要衰減PWM脈沖的高頻分量就能有效減少脈沖邊沿的上升斜率，即降低DVDT，通過(guò)串聯(lián)在變頻器輸出端的電感L增加了變頻器輸出的高頻阻抗，電感L電容C組成的二階低通濾波器使輸出電壓的高頻分量得到很大的抑制，電阻R用以使濾波器得到阻尼避免震蕩、并與電纜的特性阻抗相匹配；通過(guò)合理選擇濾波器的參數(shù)，可以使輸出電壓的高頻分量得到很大衰減，有效降低PWM脈沖邊沿的斜率，即降低PWM脈沖電壓的DVDT，能有效減少PWM波尖峰電壓的高度，PWM脈沖電壓接DVDT濾波器經(jīng)長(zhǎng)線電纜傳輸?shù)诫姍C(jī)端 產(chǎn)生的尖峰電壓如圖3所示；為了更清楚地觀察經(jīng)DVDT濾波器濾波前后波形的變化，未接DVDT濾波器經(jīng)長(zhǎng)線電纜傳輸?shù)诫姍C(jī)端產(chǎn)生的單個(gè)PWM脈沖電壓波形如圖4所示，接了 DVDT濾波器經(jīng)長(zhǎng)線電纜傳輸?shù)诫姍C(jī)端產(chǎn)生的單個(gè)PWM脈沖電壓波形如圖5所示，通過(guò)圖2圖3圖4圖5特別是圖4圖5可清楚地看到，接了 DVDT濾波器后，變頻器輸出的PWM脈沖斜率變小了，經(jīng)長(zhǎng)線電纜傳輸?shù)诫姍C(jī)產(chǎn)生的尖峰電壓得到了極大的抑制，合理的設(shè)計(jì)可以使尖峰電壓由濾波前的2倍以上降到濾波后的只升高20%左右，從而達(dá)到降低變頻器輸出的PWM脈沖在經(jīng)長(zhǎng)電纜傳輸所產(chǎn)生的尖峰電壓對(duì)電機(jī)所造成的危害。由于大功率的變頻器幾乎都是三相的，圖6的單相DVDT濾波器主要用于說(shuō)明DVDT濾波器的工作原理，在實(shí)際中并不常用，變頻器輸出DVDT濾波器主要指的就是三相DVDT濾波器。變頻器輸出DVDT濾波器的電原理圖如圖8所示，它由第一電感(LI)、第二電感(L2)、第三電感(L3)、第一電容(Cl)、第二電容(C2)、第三電容(C3)、第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)組成,其中第一電感(LI)的一端為輸入端I (Ul),第二電感(L2)的一端為輸入端2(V1),第三電感(L3)的一端為輸入端3(W1);第一電感(LI)的另一端接第一電容(Cl)的一端并作為濾波器的輸出端I (U2)，第二電感(L2)的另一端接第二電容(C2)的一端并作為濾波器的輸出端2(V2),第三電感(L3)的另一端接第三電容(C3)的一端并作為濾波器的輸出端3 (W3);第一電容(Cl)的另一端接第一電阻(Rl)的一端，第二電容(C2)的另一端接第二電阻(R2)的一端，第三電容(C3)的另一端接第三電阻(R3)的一端；第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)的另一端均接到一個(gè)公共端(N)。由于RC回路的位置可以互換，第一電容(Cl)與第一電阻(Rl)的位置可以互換，第二電容(C2)與第二電阻(R2)的位置可以互換，第三電容(C3)與第三電阻(R3)的位置可以互換，如圖9所示；此外，由于三相電星接與角接可以互換，圖9所示的第一電容(Cl)與第一電阻(Rl)、第二電容(C2)與第二電阻(R2)、第三電容(C3)與第三電阻(R3)可以由星接換接成角接，其中的一種接法如圖10所示。第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)的公共端(N)可以接三相電的中線如圖12應(yīng)用框圖2所示，可以接地如圖13應(yīng)用框圖3所示，可以通過(guò)電容接到變頻器的直流電源處如圖14應(yīng)用框圖4所示，也可以不接其它地方只利用三相電的相位差形成一個(gè)中點(diǎn)電位如圖11應(yīng)用框圖I所示，這幾種接法都能有效降低PWM脈沖電壓的DVDT，減小尖峰電壓，但對(duì)共模電流的消除則略有差異，都具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用價(jià)值。圖11、圖12、圖13、圖14中的(B)是變頻器，(C)是長(zhǎng)線電纜，(R) (S) (T)是三相交流電源，(M)是三相交流電機(jī)。三相DVDT濾波器工作原理與單相DVDT濾波器相同，根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)可知，脈沖邊沿的上升斜率由其最高頻率分量決定，只要衰減PWM脈沖的高頻分量就能有效減少脈沖邊沿的上升斜率，即降低DVDT，通過(guò)串聯(lián)在變頻器輸出端的電感L增加了變頻器輸出的高頻阻抗，電感L電容C組成的二階低通濾波器使輸出電壓的高頻分量得到很大的抑制，電阻R用以使濾波器得到阻尼并與電纜的特性阻抗相匹配，通過(guò)合理選擇DVDT濾波器的參數(shù)，可以有效降低PWV脈沖邊沿的斜率，即降低PWM脈沖電壓的DVDT，以達(dá)到降低變頻器輸出的PWM脈沖在經(jīng)長(zhǎng)電纜傳輸所產(chǎn)生的尖峰電壓造成的危害。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
圖I為變頻器輸出的PWM脈沖電壓信號(hào)波形，此波形為相電壓波形，也可以把它看 成線電壓一個(gè)周期的正半周；圖2為變頻器輸出的PWM脈沖電壓未接DVDT濾波器經(jīng)長(zhǎng)線電纜傳輸?shù)诫姍C(jī)端產(chǎn)生的尖峰電壓波形，在PWM脈沖的上升沿和下降沿產(chǎn)生了尖峰電壓，其最大幅值可達(dá)PWM脈沖電壓的2倍以上；圖3為變頻器輸出的PWM脈沖電壓接了 DVDT濾波器經(jīng)長(zhǎng)線電纜傳輸?shù)诫姍C(jī)端產(chǎn)生的尖峰電壓得到抑制后的波形，尖峰電壓得到了明顯改善，可降到原尖峰電壓的20%左右；圖4為未接DVDT濾波器經(jīng)長(zhǎng)線電纜傳輸?shù)诫姍C(jī)端產(chǎn)生的單個(gè)PWM脈沖電壓波形，其尖峰電壓很大；圖5為接了 DVDT濾波器經(jīng)長(zhǎng)線電纜傳輸?shù)诫姍C(jī)端產(chǎn)生的單個(gè)PWM脈沖電壓的尖峰電壓得到抑制后的波形，上升斜率變小，其尖峰電壓明顯減小，尖峰電壓所包含的能量也變小了 ；圖6本發(fā)明變頻器輸出DVDT濾波器單相DVDT濾波器原理圖；圖7本發(fā)明變頻器輸出DVDT濾波器單相DVDT濾波器應(yīng)用框圖，其中的(B)是變頻器，(C)是長(zhǎng)線電纜，(Vac)是單相交流電源，(M)是單相交流電機(jī)；圖8本發(fā)明變頻器輸出DVDT濾波器原理圖；圖9本發(fā)明變頻器輸出DVDT濾波器RC回路的位置可互換原理圖；圖10本發(fā)明變頻器輸出DVDT濾波器電容星接換成角接原理圖；圖11本發(fā)明變頻器輸出DVDT濾波器應(yīng)用框圖1，其中的(B)是變頻器，(C)是長(zhǎng)線電纜，(R) (S) (T)是三相交流電源，(M)是三相交流電機(jī)；圖12本發(fā)明變頻器輸出DVDT濾波器應(yīng)用框圖2，其中的⑶是變頻器，(C)是長(zhǎng)線電纜，(R) (S) (T)是三相交流電源，(M)是三相交流電機(jī)；圖13本發(fā)明變頻器輸出DVDT濾波器應(yīng)用框圖3，其中的⑶是變頻器，(C)是長(zhǎng)線電纜，(R) (S) (T)是三相交流電源，(M)是三相交流電機(jī)；圖14本發(fā)明變頻器輸出DVDT濾波器應(yīng)用框圖4，其中的⑶是變頻器，(C)是長(zhǎng)線電纜，(R) (S) (T)是三相交流電源，(M)是三相交流電機(jī)。
具體實(shí)施例方式圖8本發(fā)明變頻器輸出DVDT濾波器原理圖。本例已知電纜長(zhǎng)度為140米，電纜的分布電感為L(zhǎng)ci = I. 18UH/M，分布電容為Cci =50PF/M，希望電機(jī)端的尖峰電壓峰值小于I. 2倍PWM脈沖電壓即允許電機(jī)端過(guò)電壓為20%。設(shè)計(jì)方法可以采用公式計(jì)算通過(guò)電壓反射理論，電機(jī)端電壓峰值與電纜長(zhǎng)度、電壓脈沖上升時(shí)間以及電機(jī)端電壓反射系數(shù)之間的關(guān)系為Vpeak = 3LcVdrL/vtr+Vd—(公式一)，式中VPMk—電機(jī)端電壓峰值、L。-電纜長(zhǎng)度；Vd-PWM脈沖電壓幅度；V—PWM脈沖傳播速度，在電纜中為光速的1/2取I. 5*108 ；tr-電壓脈沖上升時(shí)間；Γ\電機(jī)端電壓反射系數(shù)，與電纜特性阻抗有關(guān)。當(dāng)允許電機(jī)端過(guò)電壓為20%時(shí)，上升時(shí)間與電纜長(zhǎng)度和電壓反射系數(shù)之間的關(guān)系為仁=15LcrL/v—(公式二)，由傅里葉級(jí)數(shù)可知，脈沖邊沿上升斜率由最高 頻分量決定，最高頻分量得到的周期T應(yīng)為上升時(shí)間的兩倍，即T = 2&，則可以得到濾波器的截止頻率f= l/2tr—(公式三)；對(duì)于選定的電纜長(zhǎng)度和電纜型號(hào)，LcJP Γ\已知，由(公式一)可知，通過(guò)延長(zhǎng)PWM脈沖電壓的上升時(shí)間k，即減少脈沖電壓的DVDT即可以達(dá)到減少電機(jī)端過(guò)電壓3LeVd Γ L/vtr的目的，在確定DVDT濾波器參數(shù)時(shí)，電阻值R應(yīng)與電纜特性阻抗相匹配以便于吸收電壓反射的能量，即R = Ztl = (u/Cc))"2--、公式四)，其中U為電纜分布電感、Ctl為電纜分布電容。本例中，L。為140米，Γ\電纜特性由廠家給出為0.9，電纜分布電感Ltl = I. 18UH/Μ，分布電容Ctl = 50PF/M，允許電機(jī)端過(guò)電壓為20%。代入(公式二)&= 15 Lc Γ L/v =15*140*0. 9/1. 5*108 = 12. 6*1(Γ6 = 12. 6 微秒，代入(公式三)f = l/2tr = 1/2*12. 6*1(Γ6=O. 0397*106 40*103(Hz)，取電感(L)為 O. 15 毫亨，則電容(C)依 ω2 = 1/LC 則 C = I/GJ2L = I/(2*3. 14*40*103*2*3· 14*40*103*0· 15*1(Γ3) = I. 04*10'可取電容(C)為 O. I 微法，再由(公式四)R = Z0 = (L0ZC0)1/2 和已知的 L0 = I. 18UH/M、C0 = 50PF/M，可算出 R =Z0 = (L0ZC0)1/2 = (I. 18*10_6/50φ10_12)1/2 = 153 歐姆，可取 R 為 150 歐姆。綜上計(jì)算，本例圖8本發(fā)明變頻器輸出DVDT濾波器的參數(shù)為第一電感(LI)第二電感(L2)第三電感(L3)取O. 15毫亨，第一電容(Cl)第二電容(C2)第三電容(C3)取O. I微法，第一電阻(Rl)第二電阻(R2)第三電阻(R3)取150歐姆。通過(guò)本例可知，變頻器輸出DVDT濾波器所使用的電感和電容都很小，所以使用變頻器輸出DVDT濾波器是解決變頻器輸出的PWM脈沖，在經(jīng)長(zhǎng)電纜傳輸所產(chǎn)生的尖峰電壓造成的危害之既簡(jiǎn)單有效而又成本較低的方法。
權(quán)利要求
1.變頻器輸出DVDT濾波器，其特征在干它由第一電感(LI)、第二電感(L2)、第三電感(L3)、第一電容(Cl)、第二電容(C2)、第三電容(C3)、第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)組成,其中第一電感(LI)的一端為輸入端I (Ul),第二電感(L2)的一端為輸入端2 (VI),第三電感(L3)的一端為輸入端3 (Wl);第ー電感(LI)的另一端接第一電容(Cl)的一端并作為濾波器的輸出端I (U2),第二電感(L2)的另一端接第二電容(C2)的一端并作為濾波器的輸出端2(V2)，第三電感(L3)的另一端接第三電容(C3)的一端并作為濾波器的輸出端3(W3);第ー電容(Cl)的另一端接第一電阻(Rl)的一端，第二電容(C2)的另一端接第二電阻(R2)的一端，第三電容(C3)的另一端接第三電阻(R3)的一端；第ー電阻(Rl)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)的另一端均接到ー個(gè)公共端(N)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變頻器輸出DVDT濾波器，其特征在于第一電容(Cl)與第ー電阻(Rl)的位置可以互換，第二電容(C2)與第二電阻(R2)的位置可以互換，第三電容(C3)與第三電阻(R3)的位置可以互換。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變頻器輸出DVDT濾波器，其特征在于第一電容(Cl)與第ー電阻(Rl)、第二電容(C2)與第二電阻(R2)、第三電容(C3)與第三電阻(R3)可以由星接換接成角接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變頻器輸出DVDT濾波器，其特征在于第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)的公共端(N)可以接三相電的中線，可以接地，可以通過(guò)電容接到變頻器的直流電源處，也可以不接其它地方只利用三相電的相位差形成ー個(gè)中點(diǎn)電位。
全文摘要
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種變頻器輸出DVDT濾波器。使用變頻器輸出的PWM脈沖驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速存在著一些負(fù)面影響變頻器輸出的PWM脈沖電壓的DVDT很大，即PWM脈沖邊沿的斜率很大，當(dāng)變頻器與電機(jī)之間通過(guò)長(zhǎng)電纜傳輸時(shí)，由于長(zhǎng)電纜存在分布電感和分布電容的影響，在電機(jī)端發(fā)生電壓反射現(xiàn)象，以致在電機(jī)端出現(xiàn)上升沿具有尖峰的電壓，導(dǎo)致電機(jī)端電壓峰值增加，從而使電機(jī)繞組絕緣加速老化絕緣擊穿，也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)軸承加速損壞，使用變頻器輸出DVDT濾波器是降低PWM脈沖所造成的這些危害之既簡(jiǎn)單有效而又成本較低的方法。變頻器輸出DVDT濾波器也適用于交流逆變器等同樣輸出PWM脈沖的設(shè)備。
文檔編號(hào)H02M1/12GK102694457SQ20111006738
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者季平 申請(qǐng)人:季平