中压变频器输出滤波器的研究

王云河

（海军驻武汉七一二所军事代表室，武汉430064）

0 引言

中压变频器（以下简称变频器）的调制方法仍然采用PWM技术。通过PWM调制，使得功率管IGCT有规律的开通与关断，以实现变频变压的目的，但是同时也会带来一些负面效应。首先，IGCT的高速开关特性会在变频器的输出端产生高的dv/dt，尤其当变频器和电动机之间不可避免的通过长电缆连接时，由于长线电缆存在分布电感和分布电容，将产生反射波现象，使电动机输入端的 dv/dt加倍，缩短电机的使用寿命。其次，变频器的输出波形中含有大量的高次谐波使电动机过热，影响电机绝缘，谐波还会引起电机转矩脉动，噪音增加等。因此，滤波器的设计就显得尤为重要。

目前可以抑制谐波的滤波器分为两种，即有源滤波器和无源滤波器。无源滤波器与有源滤波器比较，具有不需要控制，价格低廉等特点。本文主要讲述应用于中压变频器的输出无源滤波器（LC滤波器）的设计。

1 LC滤波器的工作机理

输出滤波器的拓扑结构有多种，在考虑到经济性、实用性等因素后，选择如图1所示的LRCL滤波结构。

图1 LRCL滤波器

中压变频器是三电平H桥结构，基于这种变频器拓扑结构选择对称结构的滤波电感，其原因是当变频器输出电流改变方向时，也能先抑制dv/dt，阻止变频器产生的高次谐波通过，保护电机；当负载短路时，能增加负载电流的上升时间，这样可以预留给控制足够的时间去封锁脉冲，保护功率管IGCT。电容器C为变频器产生的高次谐波提供旁路，并且减小变频器输出的高的dv/dt。电阻R则起阻尼作用防止或抑制谐振的产生，当选择的谐振频率在截止频率之外时，可以不用电阻R。本文设计的滤波器就没有加电阻R。

参照图1，电阻R=0；负载有功功率P0，无功功率Q0，功率因数角φ0；变频器输出有功功率Pi，无功功率Qi，功率因数角φi；负载的基波频率为f；可以得到如下的关系式，

负载的有功电流，无功电流为，

滤波器电容C的基波电流，

变频器单个H桥输出的有功电流、无功电流为，

变频器单个H桥输出的总电流为，

滤波器电感L上的基波压降为，

Ii1为变频器单个H桥输出的基波电流，考虑到其它谐波的影响，实际上滤波电感承受的电压大于UL。

功率管IGCT可承受的最大电压和电流有限，当负载要求变频器输出额定电压和额定电流的时候，合理的设计LC的参数，可以提高功率管IGCT的电压和电流裕量，保护功率器件。

滤波电容C的合理选择，可以给负载提供所需的无功电流，从而减小变频器输出的电流；滤波电感L的合理选择，可以减少电感上的压降，从而可以提高变频器输出的电压利用率。

2 LC的选取原则

根据上面的分析LC的选取应该参照以下几个原则：

1） 尽可能的降低滤波电感L上的压降。

2） 尽可能的使滤波电容C上的无功功率与负载上的无功功率匹配。

3） 满足电动机对变频器输出的谐波要求。

4） 满足电动机在考虑到绝缘时，对变频器输出的dv/dt的要求。

3 波器截止频率fc选取原则

[4][5]中讲到，在二电平逆变器电路中，变频器输出脉冲电压的频率等于开关频率；在三电平逆变器中，变频器输出的脉冲电压的频率等于开关频率的2倍。根据Nyquist采样定理，可知采样频率fs和开关频率fk之间必须满足fs≥fk，由于中压变频器选择三电平H桥结构，因而滤波器截止频率fc必须满足：

在高压变频系统中，为确保滤波器优良的滤波效果，其截止频率cf可降低到理论谐振频率的1/3，因而滤波器截止频率应满足，

4 中压变频器三电平 H 桥的仿真与试验结果分析

中压变频器所带阻感负载参数：cosφ=0.85，P=1.4 MW，η=0.965，I=680 A。由以上的分析，选择与负载相匹配的LC滤波器的参数为：L=1 mH，C=15 μF。参照图2。

图2 中压变频器三电平H桥结构图

利用MATLAB软件，把负载参数和LC滤波器参数带入系统中进行仿真研究，仿真结果如下：

图3 阻感负载的电压仿真波形

图4 阻感负载的电压试验波形

图5 阻感负载的电流仿真波形

5 滤波效果分析

滤波器设计的最终目的是在能够输出额定电压和电流的情况下，对谐波的抑制效果和对dv/dt的抑制效果。

三电平H桥输出的电压电流谐波分析如图7所示。

图6 阻感负载的电流试验波形

图7 （a）LC滤波器之前的电压谐波分析

图7 （b）LC滤波器之后的电压谐波分析

图7 （c）LC滤波器之前的电流谐波分析

图7 （d）LC滤波器之后的电流谐波分析

通过上面的分析结果可以看出，在LC滤波器之后，大部分谐波被滤除。

对照仿真电压波形与试验电压波形，计算可以得到 dv/dt由滤波前的 5000 V/μs，降低到 50 V/μs。

参考文献：

[1]杨建军. 变频器的谐波分析及治理. 电气时代, 2007年第5期.

[2]陆继明. 高压变频器输出滤波器研究.高电压技术,2002年11月, 第28卷第11期.

[3]姜艳姝. PWM变频器输出共模电压抑制技术的研究.哈尔滨工业大学博士学位论文.

[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.