电机驱动中AFE 应用探索

陈磊

（扬帆集团股份有限公司，浙江 舟山 316100）

1 概述

使用有源前端（AFE）转换器的基于IGBT 技术的可调速驱动器（ASD）如今被广泛使用。使用基于IGBT 的功率转换器的优点如下：高开关频率；更小的开启和关闭时间，这可以减少开关损耗；先进PWM 技术可用于控制。

在一些应用需要电机和电源转换器之间的长电缆。在这种情况下，已经观察到，与逆变器端的电压相比，电机端子的电压在开关暂态期间增加几倍。由于更快的导通和关断时间，逆变器端的高dv/dt 也导致等问题如下：除了电机端子的倍压外，还增加了接地电流；负载端的轴承损坏和绝缘失效；EMI/EMC 问题。

使用三相二极管桥式整流器供电的直流母线将低次谐波注入电网。如果不需要再生能力，AFE 转换器是一种合适的替代方案。

虽然AFE 转换器消除了低次谐波，但它会注入高频电噪声。此外，高dv/dt 激发电容耦合，这导致增加了接地电流。由于转换器通常在几十千赫兹的范围内切换，因此，问题变得非常突出。这种AFE 转换器产生的电噪声与PWM 逆变器产生的电噪声相结合，并出现在负载上，加剧了电机端的问题。基于零序注入载波的PWM 技术（CSVPWM）经常用于AFE 操作，因为DC 总线利用率更高。由于存在三次谐波分量，这种PWM 技术很难得到适合使用AFE 转换器的高阶滤波器的拓扑结构。

CISPR 22 和IEC 61000 等标准规定了电力转换器对商业和家庭应用的电流注入限制。NEMA MG-1 的第31 部分建议可以在电机端子上施加的最大允许dv/dt，以确保安全运行。为了满足这些规定，采用了不同的解决方案来减轻不良影响。

无源滤波器被广泛采用来解决这些问题。消除电机端子电压倍增并减小共模电流而不显着增加尺寸和成本的滤波器配置之一是dv/dt 滤波器。如果所需的滤波器仅用于解决电动机端子处的倍压，那么，滤波器的谐振频率可以高于开关频率。利用这种滤波器，电路元件的尺寸减小。阻尼这种滤波器非常困难，而输出被钳位到所需的DC 总线电压。夹紧过滤器在文献[6]，[7]中提出。文献[6]中提出的滤波器拓扑结构没有解决共模分量问题，通过将滤波器的中性点连接到DC 总线中点O，在文献[7]中提出的后续设计中克服了这个缺点。但是，没有讨论设计过程和含义。

电容器介于直流母线正极轨与地之间、负极轨与地之间，这消除了AFE 变换器引起的共模电压。该方法不能直接与AFE 转换器ASD 一起使用，因为由于CSVPWM 和开关电流分量，接地电流现在将以共模方式承载三次谐波电流。没有讨论选择滤波器组件的明确设计过程。降低共模电压PWM 技术用于最小化效应，但这也限制了线间输出性能。[8]中讨论的滤波器解决了AFE 转换器消除高频漏电流的问题。因此，考虑到驱动器的类型，有必要解决滤波器设计问题。这样，整个过滤器就可以作为ASD 的一部分嵌入。

本文简要概述了与基于IGBT 技术的ASD 相关的问题，该ASD 具有使用长电缆的有源前端（AFE）转换器以及用于解决该问题的不同缓解技术。详细讨论了具有AFE 转换器的这种转换器的共模电压。讨论了用于滤波器设计的集成方法，其中解决了AFE 转换器和逆变器的不利影响。所提出的拓扑结构如图1 所示，其解决了由ASD 引起的共模电压、共模电流和电压倍增的问题。讨论了所提出的滤波器拓扑结构的设计过程以及验证滤波器有效性的实验结果。

第一节讨论了长电缆ASD 及其缓解技术的不利影响，展示了共模电压和电流，也强调了AFE 转换器对负载产生的共模电压的影响。第二节概述了拟议过滤器的设计目标。第三节介绍了所提出的电动机侧过滤器的工作原理和设计。第四节描述了共模电路和所提出的共模直流总线滤波器的设计。第五节讨论实验结果。

2 过滤器设计目标

ASD 的设计必须考虑现代PWM 转换器引入的电噪声。这需要端到端解决方案，其中，通过合适的滤波器拓扑结构作为ASD 系统的组成部分来最小化或消除电噪声。滤波器必须同时处理共模和差模分量。设计过程需要独立于负载，但在大多数情况下，必须考虑负载以有效地缓解问题。为了解决CMV 的有害影响，必须考虑AFE 转换器的存在并保留系统内产生的电噪声。这增加了设计滤波器的复杂性。这里的滤波器设计涉及两个方面：第一，消除电机端子的倍压并最小化CMC；第二，消除AFE 转换器对负载的CMV 影响，并限制ASD系统内的电气开关噪声。

2.1 电机滤波器的设计目标

所提出的dv/dt 滤波器（LC 谐振钳位滤波器）拓扑结构如图1 所示，位于逆变器输出端。这个设计的主要方面如下：（1）通过改变施加电压的dv/dt 来消除电动机端子的倍压；（2）减小滤波器的尺寸和成本，使其可以与转换器的电源电路集成；（3）CMC 的最小化；（4）可轻松扩展大功率驱动器，而不会显著增加滤波器的成本和尺寸。

为了满足上述约束，使用dv/dt 滤波器。该滤波器通过略微修改拓扑来解决共模噪声和差模噪声问题。dv/dt 滤波器设计，dv/dt 要求，谐振频率选择，滤波器和半导体中的峰值电流，所产生的功率损耗用于选择滤波器元件，如第四节所述。

2.2 共模直流母线滤波器的设计目标

为了解决由AFE 引起的CMV，在直流母线正轨与地之间以及负轨与地之间引入了电容器，这消除了共模电压。[9]所提出的滤波器实现了对高频CMV 的滤波，同时防止低频三次谐波电流流入地面。

所提出的DC 总线共模滤波器如图1 所示，中点M 连接到LCL 滤波器中性点N，其通过电容器 CMg接地。共模滤波器的关键设计方面如下：（1）消除由于AFE 操作导致CMV 传播到负载侧，从而消除CMC 电流的增加。（2）在系统内循环开关和低阶谐波电流，允许AFE 操作采用先进的PWM 技术。

下面将介绍直流母线共模滤波器以及第三节中用于选择滤波器元件的方法。

表1 设计的dv/dt 滤波器值

图1 带有集成LCL 和直流母线共模滤波器的有源前端电机驱动器的原理图，用于电机逆变器端子的电网和dv/dt 滤波器

3 实验结果

在实验室中，内置三相10kVA，415V 背对背连接功率转换器原型，以证明滤波器的有效性。基值为Pbase=10kVA，Vbase=240V，fbase=50Hz。逆变器的开关频率为2.5kHz，AFE整流器的开关频率为10kHz。100 米长的PVC 涂层四芯电缆用于演示电机端子的倍压。负载是三相，415V，10kW，50Hz星形连接感应电动机，采用V/F 方案控制。使用矢量控制方法控制前端。Altera Cyclone II FPGA 平台用于实现控制算法。

表2 设计的共模直流母线滤波器值

在图2（a）中，在没有dv/dt 滤波器的情况下，所施加的逆变器电压和电动机端子之间的比较与线电流一起进行。与施加的电压相比，电动机端子电压上升超过两倍。此外，在该瞬态期间，线电流上可以看到线对线寄生电容的影响。图2（b）显示了所连接的逆变器电压，dv/dt 滤波电容器电压，电机端子对地电压以及连接电机侧滤波器的接地电流。极电压具有非常尖锐的上升沿，其由引起的dv/dt 滤波器变化产生，并且消除了电机端子处的电压倍增，并使接地电流最小化。

图3

图4 测量波形显示

使用AFE 整流器将DC 总线从600V 的预充电值提升至700V。图3 表示DC 总线的升压动作以及转换器电流侧电流和出现在DC 总线的中点与地 VOg之间的共模电压。由二极管桥式整流器和AFE 整流器引起的CMV 清晰可见。很明显，由于AFE 整流器导致的CMV 占主导地位，需要限制其出现在负载端子处。与三相二极管桥式整流器相比，在AFE 整流器操作期间对地的共模电流注入变得显着。

当连接到正负轨的直流母线Y 电容接地时，开关电流和谐波电流流入地，如图4（a）所示，用于CSVPWM。为了说明电流注入接地，AFE 转换器的操作是在无负载的300V DC总线上进行的，以保持共模谐振分量的限制。在CSVPWM 的情况下，可以看到，开关和三次谐波电流流入地 Ico1m。而且，当LCL 滤波器的中性连接悬空时，N'与地之间的电压 VNg高。

通过将中点M 连接到LCL 滤波器N'的中性来获得所提出的拓扑。图4（b）显示了CMV VOg，电容器 CMg上的电压，和CSVPWM 的接地电流。M 的相对于地的电位降低，使用明显高于寄生电容的。与没有任何滤波器的相比表2，直流母线滤波器后的电压显着衰减。对于带有直流母线滤波器的CSVPWM， VOg的频率现在是基频的三倍，并且AFE 操作的幅度变化缓慢，从而产生了更安静的直流母线。这说明了DC 总线共模滤波器的有效性。

基于三个二极管桥式整流器的ASD 和基于ASD 的AFE 转换器出现在电机中性点的CMV 和CMC 如图5（a）和图3（b）所示。为了说明CMV 的不利影响，将直流母线升压至400V，以使电动机端子的电流和电压保持在安全范围内。由于AFE转换器导致的CMC 电压由于逆变器而骑在CMV 上，这导致了CMC 的发生频率增加。这与第二节中显示的模拟结果一样可以预期。

图5（c）显示了电机中性点接地的CMV 和CMC，连接了直流母线共模滤波器，但电机滤波器被移除。这有效地表明，由于AFE 转换器消除了CMV，但是，逆变器CMV 仍具有高dv/dt。这降低了CMC 电流的发生频率，但由于逆变器产生的CMV 的高dv/dt 仍然保持高幅度。通过添加dv/dt 滤波器，除了消除电机端子上的电压倍增外，CMC 的幅度也会降低，如图5（d）所示。

4 过滤效果

图5 由于电缆配置的长电缆在电机端子上测量的CMV 和CMC 波形

表3

测量设备和控制卡的电源以地为参考。由于高dv/dt 导致的电传导和辐射噪声增加，由于基于AFE 的ASD 产生的噪声阻碍了这些设备的正常操作，并且可能影响测量的准确性和可靠性。由于需要屏蔽每个传感器和测量通道，增加隔离接地和过滤电源引线，因此，不受传导和辐射噪声影响的设备成本增加。所提出的滤波器拓扑通过在电动机驱动转换器本身内提供循环路径而将噪声从参考地转移。此外，逆变器输出端的dv/dt 降低会降低辐射的高频噪声。表3，表示滤波器前后的电流大小。由PWM 工作引起的电机峰值电流从7A尖峰减少到大约0.4A，从而改善了所提出的电机驱动器与相邻设备的兼容性。

5 结语

针对基于ASD 的AFE 整流器概述了整体滤波器拓扑和设计过程，简要概述了从整个驱动系统的角度设计过滤器的需求，提出了一种利用dv/dt 滤波器用于差模电路的LCL 滤波器优势的设计方法，提出了有效且简单的dv/dt 滤波器设计程序。基于共模电路讨论了直流母线滤波器的分析。共模直流总线滤波器抑制AFE 转换器产生的高频CMV 影响负载。

由于驱动系统内的先进PWM 技术，所提出的拓扑结构使开关元件与三次谐波分量保持一致，并在共模基础上实现了滤波后的DC 总线。电机侧的LC 谐振钳位滤波器降低了输出电压的dv/dt，这进一步减小了CMV 对逆变器的不利影响，消除除了电机端子上的倍压。当ASE 中使用AFE 整流器时，减少的CMC 可最大限度地降低电机故障的风险。