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PWM逆变器端过电压滤波器设计3

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万方数据第25卷第4期电工电能新技术Vol. 25,No. 42006年10月Technoloav of Electircal Enand EneOct2006PWM逆变器端过电压滤波器设计高强,马洪飞,徐殿国(哈尔滨工业大学电气工程系,黑龙江哈尔滨巧0001)摘要:PWM逆变器通过长线电缆与电机连接时,由于电缆分布参数的影响会在电机端产生2倍的过电压,从而使电机承受的应力大为增加。本文在对电压脉冲上升时间与电缆长度关系分析的基础上,提出了一种改进型的逆变器端无源滤波器。通过对滤波器传递函数特性分析,给出了具体的参数选取原则与设计方法。采用本文提出的滤波器可以使电机端的过电压得到对称的抑制,通过在380 V/3 KW电机系统的实验,验证了该滤波器的有效性,取得了良好的效果。关键词:PWM逆变器;过电压;电压反射;滤波器中图分类号二TM86文献标识码:A文章编号:1003-3076(2006)04-0027-031引言与电缆长度之间的关系做了仿真方面的研究,得出了通过延长电压脉冲上升时间可以减少电机端过电    现代变频技术在改善PWM逆变器的性能的同庄的结论,但对实际应用中如何实现没有给出具体时也产生了严重的负面效应。如由PWM逆变器直的方法。目前,对过电压的抑制大多采用在电机端接驱动电机系统会产生与开关频率相同的高dv/dt加RC滤波器的方法吸收电压反射的能量,并取得的差模电压,使电机所承受的应力大为增加,特别是了较好的效果[[3-6]。但在许多实际应用中,如石油当逆变器与通过长线电缆与电机相连接时,如油田钻井、海底勘探等场合,电机端子无法接近,因此这钻井、海底勘探等场合,电缆引线甚至可以达到几千种方法有一定的局限性。本文在详细分析电压脉冲米,由于长线电缆分布参数的影响,即存在分布电感上升时间与电缆长度关系的基础上,提出了一种逆和分布电容,使得电缆线上存在行波。当电缆的波变器端无源滤波器,它通过延长逆变器端输出电压阻抗与电动机的等效阻抗不匹配时,在电动机端产脉冲上升时间的方法,消除由于长线传输时电压反生电压反射现象。人射波电压与反射波电压叠加射造成的过电压及高频震荡现象,从而提高电机的后,在电动机端产生过电压、高频阻尼振荡,导致产使用寿命。生更大的差模dv/dt,加剧电动机绕组的绝缘压力,使电动机的绝缘迅速老化甚至烧毁电机。2       PWM电压脉冲上升时间和电缆长度的针对上述问题,国内外学者进行了相关的研究    关系    并取得了一些研究成果。文献【1]对由于电缆分布逆变器的输出脉冲由逆变器传输到电动机所需    参数的影响在电机端产生的过电压进行了分析,并.要的时间t.为提出了通过增加电缆屏蔽的方法改变电缆参数从而l        达到抑制过电压的目的。但这种方法在实际的应用t,=v(1)过程中有较大的困难。文献【2]提出了一种在逆变其中,:。为脉冲在电缆上传输一次所需时间;;l为电器端采用滤波器的方法来实现抑制过电压的目的,缆长度。但只给出了滤波器的结构,对滤波器的参数设计方经过时间t    。后,正向传输的逆变器输出脉冲在法没有给出。文献【3]对PWM电压脉冲的上升时间电动机端被反射,结果产生反向行波,向逆变器方向收稿日期:2006-04-13基金项目:国家自然科学基金资助项目(50377008)作者简介:高强(1964-),男,黑龙江籍,教授,在职博士,主攻电力电子与电力传动、变频软启动等研究;马洪飞(1        972-),男,黑龙江籍,副教授,博士,主攻电力电子与电力传动、风力发电等;徐殿国(1          960-),男,黑龙江籍,教授/博导,主攻电力电子与电力传动、照明电子、网络家电、电网品质等。电工电能新技术第25卷行进,当t,小于逆变器输出PWM电压上升时间t时,其幅值为(2)且过电压峰值几乎达到100%,U,“!’=t, Ut,,NZ 其中NZ为电机端(终端)电压反射系数。一‘二沪冲申种.晰1:‘卿当t, , t,时,其幅值为U,              (t,)二U,,从(3).戮偏沂二‘二几tZtt!一口f1.:洲怕、  Qt军_沁洲・…扮犷班一纷.      J;:(        a)变翔器猫出端or)电机瑞卜二、l1¥万方数据其中,Uw为直流母线电压。由式(    3)可知,当t,->t,时,上升时间不再与反射电压有关。一般,当电缆长度小于15m时,t, <t,,应采用式(2)。但当电缆长度小于5m时,可能经过脉冲走过3次电缆长度的时间后,脉冲仍在上升。由于反向行波以同样方式在逆变器端反射,其值与起端反射系数N:有关。对于一个典型的低阻抗网络,起始端反射系数N。二一1,结果使其向电动机传输的反射波幅值为负。这样,当PWM脉冲在电缆上走过3次后,增加后的电动机端电压由于负反射波的存在其值将减小[[71。因此当t, < t,13时,线电压峰值为U"3l  Um NZ二vt,+U"(4)当:t)t,13时,线电压峰值为U"=U,        ,NZ+U"            (5)对较长的上升时间,即当t, < t,/3时,由式(4)得,归一化的电动机线电压峰值为U_卜、.,      _.,    31N,‘1-;二--二—十r(6)U"砂‘,当过电压最小或无过电压产生时,有31N2—菜 t(7),sV  若定义当过电压为20%时,对应不同电缆长度的上升时间为临界上升时间,则把电压超调20%代人式(6),可计算出临界上升时间t为t cr二卫5                    1N,(8)v。为电压脉冲在长线电缆的传播速度,一般为    光速的1/2 10l。当电缆长度确定后,电压脉冲的上升时间越短,电机端的过电压越严重;当电压脉冲上升时间确定后,电缆长度越长,电机端的过电压越严重(7)。图1为电缆长度为100米时逆变器及电机端单个PWM电压脉冲的实际波形对比。逆变器采用AB1336PLUS,电机容量3KW。可见变频器端每出现一次电压变化,都会在电动机端产生电压反射现象,图1逆变器及电机端电压脉冲波形        Fig. l   Voltage waveform at invetrer terminal and motor terminal3逆变器输出端过电压滤波器参数设计图2为本文提出的在逆变器端采用LRC无源    滤波器的系统结构图。与传统的滤波器结构不同,本文将滤波器的星接点与直流母线的中点连接在一起,这样做可以对差模电压的dv/dt得到对称的抑制,同时也可以使在计算滤波器的参数时得到简化处理。d逆变器滩波器图2逆变器端无源滤波器系统结构图      Fig. 2  System structure of passive filter at inverter terminal为方便设计将图2中LRC滤波器等效成单相            甩峪l          ,_‘,,二1J枯r」_.A,j圈,共Ya构图又1___二二二,__,___,,_1M 3 FJT不。图3滤波器的单相等效电路      Fig. 3  Single-phase equivalent circuit of filter其传递函数为H(;)=Vo(:)R,C,s+1.V;(。)L, C, s+R, C, s+l凡-乌2扣s+cu几 +凡  -石s+TI -C,一,z+2加。;+。几(9)其谐振角频率为 第4期1高强,等:PWM逆变器端过电压滤波器设计(10)Kr=乙“="V Co - "V 0.033 x- 10-9二‘MA L对于长度为loom的电缆,假设电机端反射系数丛瓜          /1.18 x 10"6阻尼比为泞二(19)       Rr.Cr(11)万方数据2勺Lr首先,滤波器的阻尼电阻R,按照过阻尼电路进行设计,即应使。=Rf,.・J-Tc"  }:-‘(12)则有R  ,二之LL-C},(13)    由于滤波电容在高频时近似短路,当逆变器通过长线电缆与电机连接时,滤波电阻应与电缆的特性阻抗相等,以吸收反射能量,则有Rr=Z,=藉(14)其次,    需要确定滤波器的截止频率f。变频器输出的PWM电压信号为近似方波的脉冲信号,根据傅立叶级数可知,其边沿的上升斜率由其最高频分量所决定,根据采样定理,最高频分量的周期T}应为临界上升时间的2倍,即T}=2t-/‘,、、I ̄、,、 ̄户而截止角频率。。为 田认7t-tcr廿矛J..16、.、卫矛 滤波器的频率特性为万(      ;W)=11+加Rr CtwZ L, Cr+-Rr Cr(17)而对应截止角频率。。的衰减应为2019g 11 可1 y(J二3)nocdB“‘,因此,当截止频率确定后,根据式(10),(13),(16),(18)即可计算出滤波电感和滤波电容的具体数值。4设计举例假设实验中的电缆分布参数如表1所示。    表1电缆的分布参数Ta卜.1Distribution parameters of longcableCo    1  公一”}Ro    0.033nF/m1.18)tH/m0.020/m则滤波器的电阻二0.9,由式(8)得,临界上升时间:。r为I-,二—巧1      N,    15 x 100 x0 . 9_Jv            =---,--二---,二万一一 ̄=1.o xZs . 4j -一/:) us了r20、.、产此时滤波器的截止频率f.为、=炭二,          9.26kHzJ才21.1、.,、户截止角频率为Cv n=2nf=是=372336.9rad/s(22)对应此截止频率的衰减为3dB,并考虑到式(13),可计算出滤波电感和滤波电容的值为Lr=0.                 6mH              (23)Cr=227.                47nF            (24)图4a)为电缆长度为1    00米,没有滤波器时电机端线电压的实际波形,实验用电机容量380V/3KW,逆变器采用AB1336PUIS,可见电机端的过电压几乎达到100%;图4b)为采用本文提出的滤波器结构,参数为R,二1900, Lr = 0.6mH, C,二220nF时电机端线电压波形,可见电机端的过电压得到了较好的抑制。酗卿鲡淤哪甄1) [rek t口钧留泛IJ住翻.V: 2抽s1) I?ek t的”牡p习2)‘肠V:之南5(      a) 100米长电缆电机端线电压伪)加入涟波器后电机端线电压图4                电机端线电压对比Fi    g.4    Comparison of line-to-line voltage at motor terminal5结论    PWM逆变器通过长线电缆与电机连接时会在电机产生高dv/dt的过电压。当电压脉冲传输到电机端的时间大于电压脉冲上升时间的1/3时,在电机端产生的过电压可达逆变器输出电压的2倍。通过在PWM逆变器端采用本文提出的LRC滤波器,可以使由于长线电缆分布参数的影响而在电机端产生的过电压得到有效的对称抑制,滤波器的参数与《                下转第51页,cont. on p.51)万方数据第4期秦海鸿,等:双凸极电机非理想的霍尔位置信号对电机运行的影响512.Henan Agricultural Universiyt, Zhengzhou 450002,China)Halls ensors are commonly used in doubly salient motor for its simple stricture and easy-to-use characteristics.,reqairements on instaling accuracy of hals ensor and machining accuracy of rotor tooth for halls ensor, andsingal delay characteristics of hall sensor wilc ause the non-ideal hals ensor singal problem, which adds the dificulyto fadjusting hals ensor to optimum position,and impacts the operation performance of the motor, also the motor cannotoperate normally.. The analysis on this problem is detailed, with the proposed solutions to the engineeirng, problem. Atlast, expeirmental ersults from a1 2/8-pole hybrid excitation doubly salient motor verify the correctness and practicabiliytof the solutions.Key words: doubly salient motor; hals ensor singal; non-ideal; rotor tooth; singal delay(上接第29页,.cont. rfom p.29)电缆特性阻抗、电缆长度以及终端电压反射系数有distance on terminal voltage of motor fed by PWM invetrer) [J]关。与在电机端采取滤波的方法相比较,,。。二二、,,曰*,,、,、二二。、,‘,,电力电子技术(Power Electornics) , 2001, 35(6) : 26-29.二,,‘J。。,,.用7G URJ。,“a“具月幸_5‘护更加万,叩”一o在逆变器、。]’[Annette. Filtering techniques to minimize the long。曲卜leads点,在380V/3KW,二vu;,。NJ二。。‘」。二,I电机系统的买验验证了欢彼器的rH'           on n PI,」‘.,‘二_ndusWM triniavl etrAppler-fiecd a‘__,。。‘,,,,、tAioC ns, mo1t996, or driv32(e s4:1ys、,.,,.。tem 092-[J]・1098・IEEE Trans.有效性。[5] Skibinski. Relfected wave modeilng techniques far PWM AC参考文献(References :                                        drive [ A ]. IEEE APEC Porceeding [ C ] . Anaheim, CA,[1〕刘学中,频调速电动机端子上电压特性研究(  徐传骤(Liu Xuezhong, Xu ChuanxiCehnagr)a. ctePrWM变istic of     [6〕马洪飞,USA, 199徐殿国,8. 1021-1陈希有,029.等(Ma Hongfei, Xu Dianguo,    vol吨ewatage waveofomrm aciting。g o。山etn the te俪nrmin以oal fof PwMiPWM invetre-r-efedd              Chen兀yn Xiyou,eu, etatl・).    PWM逆变器驱动异步电动机采用mo  tor) [ J ].电工技术学报(Traps. China Electmtechnical长线电缆时电压反射现象的研究(Resrarch of voltageS    ociety),2000, 15(5):26-29.                                      reflection of PWM invetrer-fed induction motor with long motor[2]邓文,姜建国,玉井伸三((Deng Wen, Jiang Jianguo, Tamai            leads) [J]・中国电机工程学报(Porc. CSEE ) , 2001, 21S  究(  hinzf  ed bSoy t). uPdWM y PWM逆变器・on infivletetrr erfo)川.电工电能新技术(r re感应电机系统中过电压滤波器研ducing terminal over-voltaAdge v. of Tmoect(11): 109-113.h.or     . [7]马洪飞,变器驱动交流电动机长线电缆影响的无源滤波技术徐殿国(Ma Hongfei, Xu Dianguo).消除PWM逆[3]万健如,  of Elec. En林志强(g.&EneWargyn ),2Jia0n0ru, 2, L21in (3):2Zhiqia8n-g31.).电缆长度mo(Patosr sivlee adfs iltoen rinPg WM tecihnnvieqtrueers -feto d AC eilmimonattoe r dthrie veesf) e[cJt‘l]・电IongPWM逆变器驱动电机端电压的影响(Ef  fects of cable技术杂志(Electrotechnical Journal), 2001, (6) : 26-29Design of over-voltage filter at PWM inverter output                      GAO Qiang, MA Hong-fei,XU Dian-guo(Department of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technoloyg, Harbin 150001,China)Abstract: The voltageat motortermin滋would be double because of the effects of cable distributedwhenmotor is fed with PWMniverterthrougha long cable therefore resulting in a heavy stress on motor. In this paper, animproved passive filter structure installed at inverter terminals is proposed on the basis of analyzing the erlationship of therising time and the length of cable.The principle for the selection of parameters and detailed design procedurea re given.The over-voltage at motor terminal could be mitigated symmetricaly by the proposed filter. The validity of the proposedfilter is suppotred by the experimental ersults which is taken on a 380V/3KW motor system.Key words:PWM inverter; over-voltage;voltage reflection; filter

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