濾波器對(duì)PWM變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)端子上電壓波形的影響分析

22濾波器的參數(shù)對(duì)端子上電壓波形的影響

對(duì)于陡上升沿的電壓波來說，濾波器的電容Cf可認(rèn)為是零波阻抗，相當(dāng)于短路，如果取濾波器電阻Rf的阻值與電纜的波阻抗相等，而電動(dòng)機(jī)的波阻抗又遠(yuǎn)大于Rf，則負(fù)載阻抗近似為Rf，這樣一來，電纜末端的負(fù)載阻抗與電纜的波阻抗相匹配，在電動(dòng)機(jī)端子上就不會(huì)產(chǎn)生電壓波的全反射，也就不會(huì)形成過電壓。

然而濾波器的電容該如何確定?原理上其電容值越大，對(duì)阻抗的匹配性就越好，過電壓就越小。但是，隨著電容值的增大，電阻上的功耗就增加，因?yàn)樵谶B續(xù)矩形脈沖電壓下，濾波器電阻的總功耗P可近似表示為P=3CfUo2fs（1)

式中fs為變頻器的載波頻率，對(duì)于普通型變頻器約為600Hz～5kHz，低噪音型變頻器約為8kHz～15kHz，而對(duì)于特殊的變頻器可達(dá)到20kHz。如取Uo為400V，Cf取為01μF，fs分別取為1kHz和10kHz，則根據(jù)式(1)求得電阻上的總功耗分別為48W和480W，隨著電阻功耗的增大，濾波器元件的尺寸也相應(yīng)增大，因此在小型變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)應(yīng)用中，就不能不考慮功耗這一因素。

實(shí)際應(yīng)用中，如果對(duì)濾波器不能進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，就不能達(dá)到滿意的匹配效果，這就是說濾波器的失匹配程度將影響對(duì)電動(dòng)機(jī)端子上過電壓的抑制效果，本文在不同的電纜長(zhǎng)度(30m、45m和75m)下，電阻Rf分別取75Ω、100Ω、150Ω和350Ω，及電容Cf取為0001μF～016μF，分別測(cè)量了電動(dòng)機(jī)端子上電壓的波形、上升沿過電壓幅值，以及上升時(shí)間的變化。

圖2所示的是電動(dòng)機(jī)端子上相—相電壓上升沿的波形與濾波器電阻的關(guān)系，其中電纜長(zhǎng)度為45m，濾波器電容分別為008μF、002μF、0005μF和0001μF。

從圖2中可以看出，當(dāng)濾波器電阻近似等于或小于100Ω時(shí)，濾波器的電容對(duì)高頻振蕩的幅度及波形有顯著的影響，隨著濾波器電容的減小，高頻振蕩的幅值增大，濾波效果變差。而當(dāng)濾波器電阻遠(yuǎn)大于100Ω時(shí)，濾波器的電容對(duì)振蕩的幅值及波形的影響很小。

圖4電動(dòng)機(jī)端子上電壓上升沿時(shí)間與濾波器電阻及電容的關(guān)系

圖3電動(dòng)機(jī)端子上過電壓倍率(Ump／Ums)與濾波器電阻Rf及電容Cf的關(guān)系

為了更進(jìn)一步地研究濾波器的電阻和電容與電動(dòng)機(jī)端子上電壓特性的關(guān)系，下面將分別測(cè)量不同濾波器的電阻和電容下，電動(dòng)機(jī)端子上電壓上升沿過電壓倍率及電壓上升時(shí)間。

23濾波器的參數(shù)與端子上過電壓的關(guān)系

按照上述方法，在電纜長(zhǎng)度分別為30m和75m時(shí)，在不同的濾波器電阻及電容下，測(cè)取電動(dòng)機(jī)端子上電壓上升沿的波形，從而得到電動(dòng)機(jī)端子上電壓上升沿過電壓倍率與濾波器電阻及電容的關(guān)系曲線，如圖3所示，其中過電壓倍率為上升沿的電壓峰值Ump與穩(wěn)態(tài)值Ums(即近似等于變頻器輸出電壓幅值)之比。

從圖3中可以清楚地看出：濾波器的電容值Cf越大，濾波器的電阻值Rf越小，則過電壓的倍率就越小；另外，電纜長(zhǎng)度L越長(zhǎng)，過電壓倍率也相應(yīng)略增大。這樣看來，當(dāng)電纜長(zhǎng)度為75m時(shí)，如Cf大于002μF，Rf小于150Ω，過電壓的倍率將不超過12。24濾波器的參數(shù)與端子上電壓上升沿時(shí)間的關(guān)系

同樣，在電纜長(zhǎng)度分別為30m和75m時(shí)，在不同的濾波器電阻及電容下，測(cè)取電動(dòng)機(jī)端子上電壓上升沿的波形，從而得到電動(dòng)機(jī)端子上電壓上升沿時(shí)間與濾波器電阻及電容的關(guān)系曲線，如圖4所示。

從圖4中可以清楚地看出：濾波器的電阻值Rf越小，上升沿時(shí)間tr就越大，且隨濾波器的電容值Cf的增大而增加，并當(dāng)Cf超過001μF后，tr趨于飽和；當(dāng)Rf大于150Ω時(shí)，上升沿時(shí)間與電容值幾乎無關(guān)；另外，電纜長(zhǎng)度L越長(zhǎng)，上升沿時(shí)間也相應(yīng)增大。這樣看來，當(dāng)電纜長(zhǎng)度為75m時(shí)，如Cf大于001μF，Rf為100Ω，則上升沿時(shí)間超過09μs，它是濾波前(約045μs)的2倍。

25濾波器的Rf和Cf的選擇

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，濾波器電阻值Rf越小，電容值Cf越大，電纜長(zhǎng)度L越短，則電動(dòng)機(jī)端子上過電壓的倍率就越小。而且Rf越小，Cf越大，上升沿時(shí)間就越大，即電壓上升率(dv/dt)也就越小。如果電纜的長(zhǎng)度約為75m，取濾波器的電容值Cf為002μF，Rf近似取為100Ω，則電動(dòng)機(jī)端子上過電壓的倍率從濾波前的18減小到12，上升沿時(shí)間從濾波前的045μs增大到09μs，則電壓上升率減小到濾波前1/3，這有利于減弱過電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣的破壞。

3結(jié)語

用RC一階阻尼濾波器可以很好地抑制變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)端子上高頻振蕩的過電壓，濾波器的電阻值越小，電容值越大，則過電壓幅值就越小。當(dāng)濾波器的電容大于一定值(如002μF)后，過電壓幅值隨濾波器電阻值的減小而減小，并在電阻值等于或小于電纜的波阻抗時(shí)趨于電源電壓值，且隨電纜長(zhǎng)度的增加而略有增加，而上升沿時(shí)間隨濾波器電阻值的減小而增加，并隨電纜長(zhǎng)度的增加而增加?？紤]到濾波器的功耗，電容值不宜很大，應(yīng)低于01μF。