输出滤波器概述
1、输出滤波器的应用需求
驱动器类应用场景,特别是高压场景,通常使用输出滤波器来达到现场应用需求。
输出滤波器的作用与场景应用需求:
(1)电机的绝缘保护;
(2)降低电机噪声;
(3)降低电机电缆中的高频电磁干扰;
(4)降低电机的轴承电流和轴电压;
2、 输出滤波器类型
常用的输出滤波器有正弦波滤波器、dU/dt滤波器和高频干扰抑制滤波器;
(1)正弦波滤波器:适用于高于额定开关频率,但不得在低于额定开关频率的20%;
(2)dU/dt滤波器:适用于低于额定开关频率,但较高的开关频率会导致滤波器过热,应尽量避免使用;
(3)高频干扰抑制滤波器:适用于降低输出电磁干扰场合,一般为输出磁环滤波器;
电机的绝缘保护
1、输出电压的形成
变频器的输出电压是上升时间tr的脉宽调制的梯形脉冲。当逆变器桥工作时,IGBT开关形成的dU/dt,会增加电机端子侧的电压,主要取决于以下因素:
电机电缆(类型、横截面、长度、屏蔽或未屏蔽、分布电感和分布电容);
电机的高频浪涌冲击;
由于电缆特性阻抗与电机电涌阻抗之间的阻抗不匹配而产生反射,导致电机端子的振铃电压超调,如下图:
变流器输出电压和电机端子电压示例
2、特征阻抗对电压的影响
(1)电机特征阻抗随着电机尺寸的增大而减小,从而使与电缆阻抗的失配减小;
(2)较低的反射系数(Γ)降低了波反射,从而导致电压超调;
(3)在并联电缆的情况下,电缆的特性阻抗降低,导致反射系数越高,超调越高;
(4)不同功率电机的反射系数:
反射系数的典型值
3、上升沿tr的测量与dU/dt的计算
(1)输出电压的测量:在电机端子上测量相间电压、相电压的上升时间tr和峰值电压Upeak值;
(2)tr的测量方法主要有两种;
国际IEC标准:将上升时间tr定义为峰值电压峰值的10%至90%之间的时间;
IEC的tr
美国NEMA标准:将上升时间定义为最终稳定电压的10%到90%之间的时间;
NEMA的tr
(3)dU/dt计算
4、Upeak和tr的关系
各标准和威廉希尔官方网站 规范提出了不同电机类型的Upeak和tr的限制;
IEC60034-17-通用电机,500V电机的极限线;
IEC60034-25-变流器额定电机的限值:曲线A适用于500V电机,曲线B适用于690V电机;
NEMA MG1-明确逆变器用途的电机;
Upeak和tr的关系
在实际的应用中,当Upeak和tr超过了适用于所用电机的限制,应使用输出滤波器来保护电机绝缘。
降低电机声噪声
(1)电机产生的声噪声主要有三个来源。
电机磁芯通过磁致伸缩而产生的磁噪声;
电机轴承产生的噪声;
电机通风所产生的噪音;
(2)当变频器控制电机时,施加给电机的脉宽调制(PWM)电压在开关频率和谐波(主要是开关频率的两倍)处产生额外的磁噪声;
(3)在某些应用场合中是不可接受的,为了消除这种额外的开关噪声,应使用正弦波滤波器,对变频器的脉冲形电压进行滤波,使其在电机端子为相对相的正弦电压;
降低电机电缆中的高频电磁干扰
1、高频电磁干扰形成与特点
(1)当不使用输出滤波器时,在电机端子发生的振铃电压是主要的高频干扰源。
(2)电机端子上电压振铃的频率与电机电缆中高频传导干扰的频谱相关。
振铃电压与传导干扰关系
(3)除了以上干扰成分外,还有其他的噪声成分:
相地间的共模电压及其谐波:低频高振幅;
IGBT引起的高频干扰(10MHz以上):高频但振幅低;
2、输出滤波器对电磁干扰的贡献
(1)使用dU/dt滤波器的情况下:振铃振荡的频率降低到150 kHz以下;
(2)使用正弦波滤波器的情况下:振铃振荡被完全消除,电机端电压为正弦波;
(3)传导干扰试验对比:
无输出滤波器
有正弦波滤波器
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