正弦波滤波器的原理及应用.doc

正弦波滤波器的原理及应用变频器使用过程中受输出 PWM 电压波形、IGBT 特性及电缆长度等相关因素的影响，对电动机绝缘会造成一定程度的损伤，使用正弦波滤波器可以有效地解决这一问题本文详细介绍了正弦波滤波器的工作原理并给出了应用案例作为三相异步电动机的调速方案，变频器除了具有卓越的调速性能之外，还能有效地节能降损，提高生产率和产品质量，已经成为现代工业生产中不可或缺的设备变频器带来种种利益的同时也产生了很多问题，其中最明显的就是损伤所驱动的电动机，包括电动机绝缘的频繁击穿和损害电动机轴承，这些都是由变频器工作过程中需要将直流电压转变成 PWM 电压导致的本文将针对这些问题作出详细分析并给出有效解决方案变频器损伤电动机绝缘的原因变频器对电动机绝缘的损伤主要是由于变频器在电动机端产生过高的电压所致变频器输出的驱动电压波形为 PWM 电压波形，该波形经过电缆传输后容易产生过冲电压，通常电缆越长产生的过冲电压越大，电缆足够长时过冲电压甚至达到输出 PWM 电压的 2 倍以上，过冲电压加在电动机的定子线圈上，对线圈造成电压冲击，频繁的过电压冲击会对电动机绕组的绝缘产生不良影响甚至会损坏电动机绕组绝缘。

除此之外，变频器输出 PWM 脉冲上升沿时间长短、载波频率高低均会对过冲电压产生影响，从而影响电动机绝缘的寿命正弦波滤波器原理及设计导致电动机绝缘损坏的根本原因是 PWM 电压波形在电动机端产生的过冲电压，因此很容易想到如果将变频器输出端的 PWM 波形转变成驱动电动机的理想波形——正弦波，就可以解决问题了正弦波滤波器的作用就是将 PWM 波形转变成正弦波，电缆上传输的是正弦波，和传统的电动机工作方式一样，无论电缆多长，都不会产生过冲电压1. 正弦波滤波器原理如图 1 所示正弦波滤波器由串联电抗 L 和并联电容 C 构成图 1 正弦波滤波器结构(a) 变频器输出 PWM 波形（b）正弦波滤波器输出电压波形图 2 正弦波滤波器作用效果图假设变频器输出电压为 ，经过正弦波滤波器后变为 ，则iU0U2LC π1/UA i0因此截止频率 LC2π1/f如果变频器的载波频率为 ，则输出的 PWM 波形中除了基波外，f还含有丰富的谐波，频率为 的整数倍（主要是 、2 及 3 ） 选取CfCf适当的截止频率，就可以将输出 PWM 波形中的大部分谐波滤除，使得近似为正弦波图 2 为在 Matlab / SimPower Systems 平台下的仿0U真波形。

2. 正弦波滤波器参数设计正弦波滤波器的电抗和电容必须和电动机的容量精确匹配，否则达不到预期的效果对于滤波电抗，增大电抗值可以降低输出电压的畸变率，但是当带载情况不变时增大电抗值无疑会降低输出电压，甚至会出现拖不动电动机的情况增大电容值同样可以提高输出电压质量，但是输出电压也会有所降低，并且成本也会相应增加因此必须寻求平衡点，既能满足滤波要求又能降低成本以额定功率 315 kW、功率因数 0.8 的电动机为例，额定工作情况下电流为： A568.0431cosUPI00 为保证滤波器电抗正常工作，通常留 10% 左右的电流裕量，即电抗器的电流为 I＝568×（1＋10%）A ＝624.8 A，取 630 A为保障电动机工作，额定工作条件下电抗上压降不应太大，取 10%，则感抗值为，电抗值为9 0.34/6×201/XLmH .15 π9.34 wL电容值的选择与电抗值和变频器的载波频率相关载波频率为 时，通常选择截止频率（0.2～Cf0.4） ，由公式便可以计算出相应的电容值不同的截止频率起Cf到的滤波效果有很大的不同表给出了功率 315 kW、功率因数 0.8 的电动机满载工作条件下的滤波情况，其中变频器的载波频率 4 kHz，载波与信号波幅值比为1.1∶1，信号波频率 50 Hz，变频器输出 PWM 波形基波有效值 378 V，滤波电抗值取 0.111 mH。

由表很明显可以看出，截止频率越小输出正弦波电压畸变率越小，但是输出电压也会随之减小，可能会影响电动机正常工作，而且增大电容也会增加正弦波滤波器的成本，最重要的电容过大对空载或轻载电流影响较大考虑到一般工业上要求输出电压畸变率小于 5%即可，因此截止频率一般选择 0.3 左右Cf表 不同截止频率下的滤波情况应用案例江阴斯菲尔电气股份有限公司研制开发的正弦波滤波器通过合理的结构设计将电容和电抗组合起来，体积小，应用灵活，可放在机柜内，也可以单独使用对于传输电缆过长的场合，可以有效保护电动机绝缘，减小电动机轴承电流，提高系统可靠性国内某海上采油平台，受现场条件限制，变频器和电动机之间的电缆长度一般都在 1 500 m 以上，过高的冲击电压使电动机无法正常工作采用江阴斯菲尔电气股份有限公司的正弦波滤波器后，将变频器输出的 PWM 波形转变成正弦波，而且电压畸变率只有 2.4%，满足长距离传输的要求图 3 为现场测试的波形。