通用变频器输出滤波电路设计
为提高通用变频器的性能 ,克服其输出电压中丰富谐波影响设备的运行效率甚至造成设备和电缆损坏的不足 ,从通用变频器的输出谐波特性即谐波的分布特点以及 LC滤波器的幅频特性出发 ,提出应用 LC滤波器和通用变频器设计变频电源的工程设计方法. 首先根据 L, C 参数的选择原则确定 L, C 参数大致的取值 ,然后利用 Matlab 7. 0的 Sim ulink工具对系统进行仿真 ,得到最优参数 ,并实际设计 1台基于 VACON通用变频器的 30 kVA 变频电源. 实验结果验证应用 LC滤波器和通用变频设计变频电源的可行性 ,证明该变频电源工程设计方法的有效性和实用性.
引 言 随着电力电子技术的进步 ,变频技术得到很大发展 ,但是也产生一些问题. 首先 , GTO , BJT, IGB T 等先进的电力电子器件具有很小的输出电压上升时间 tr ,它们的使用使得变频器的输出电压变化率 dv / d t很大. 在带电机负载的应用中 ,这些急剧升降的脉冲导致电机内电压的不均匀分布 ,致使电机不能正常工作. 其次 , 在很多工程应用中 , 脉宽调制( Pulse W idth Modulation, PWM )变频器与电机之间都离得较远 ,需用相当长的电缆连接变频器和电机. 由于长电缆的漏电感和耦合电容的作用 ,当变频器电压脉冲传到电机端时会通过长电缆产生电压反射 ,从而导致电机端过电压 ,使电机绝缘损坏 ,电缆爆裂. [ 1, 2 ] PWM 变频输出还存在丰富的谐波. 为了解决上述问题 ,有效的方法是在 PWM 变频器的输出端加上二阶 LC正弦波滤波器 ,将 PWM 波形滤成接近正弦的电压波形 ,使输出电压的谐波总畸变率( To tal Harmonic D isto rtion, THD ) hTHD值低于 5%. 由于其结构简单、可靠性高及容量大等特点 ,在变频器输出滤波器设计中是首选. 对通用变频器的输出利用 LC滤波器进行滤波及一定的控制 ,就能得到比较理想的变频电源 ,其结构见图 1.
图 1 变频电源的结构
本文分析通用变频器的输出谐波特性和 LC滤波器的幅频特性 ,结合工程实际仿真并设计 1 台基于通用变频器的 30 kVA 变频电源.0通用变频器输出谐波特性及其Simulink仿真
通常 ,通用变频器的调制方式有正弦波脉宽调制方式 ( SPWM ) 和电压空间矢量脉宽调制方式( SV PWM ). 当使用微控制器实现 SPWM 调制时通常采用平均对称规则采样方法 ,,此时三相逆变器输出线电压的基波和谐波幅值[ 3 ]分别为 :
基波 3aEd
2
由以上通用变频器的输出电压幅值特性可知 , 谐波主要分布在以载波频率及其整数倍为中心的频带上.下面是对以上结论的 Sim ulink仿真. 仿真中变频器采用 SPWM 调制 ,载波频率为 3 600 Hz, 仿真结果见图 2.
( a)
图 2 变频器输出电压的谐波特性由图 2 ( b)可以直观清楚地看出 ,谐波主要分布在 3 600 Hz及其整数倍的频率范围上. 用 SVPWM调制时 ,谐波的分布具有类似情况.
2 LC二阶低通滤波器
这里的 LC低通滤波器也是 1种二阶 RLC低通滤波器. 但在很多情况下 ,为使滤波器的损耗尽可能小 ,一般都将阻尼电阻去掉 ,见图 1中虚线框 (LC滤波器 ) ,其单相等效电路见图 3
图 3 LC滤波器单相等效
利用 Matlab中连续系统频率特性命令 bode( num, den, w)可得不同 L, C值时对应的幅频特性(见图 4)
图 4 不同参数时 LC滤波器的幅频特性由图 4左下角的数据可知 ,此 LC滤波器的截止频率在 6 000 rad /s左右 ,即 955 Hz左右. 与图 4曲线对应的 L, C参数见表 1
表 1 与图 4曲线对应的 L , C 参数值
|
曲线 |
L /mH |
C /μF |
|
1 |
1. 0 |
10 |
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2 |
1. 2 |
25 |
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3 |
2. 0 |
20 |
由图 4 分析可知 ,这种二阶 LC低通滤波器在截止频率以上的范围内具有较高的幅值衰减 ,能达到滤除高频谐波的目的. 通用变频器的谐波分量主要分布在以载波频率及其整数倍为中心的频带上 , 这些频率一般都属于高频范围 ,完全可以由 LC二阶低通滤波器滤去. 故在基于通用变频器的变频电源设计中应用此种 LC二阶低通滤波器是可行的.
为使滤波后的电压接近正弦 ,滤波器的截止频率较低 ,其值必须低于产生大量谐波成分的 PWM开关频率 ,高于逆变器的输出基波频率. 这种拓扑结构的滤波器是 1种谐振电路 ,会产生电压谐振现象.抑制谐振的方法通常是在滤波电容 C上串接阻尼电阻 Rf,但在此电阻上会产生很大损耗 ,因此设计中并未加入阻尼电阻 ,即 Rf = 0. 为避开谐振 ,只需使谐振频率比基波频率大很多 ,而不必采取谐振抑制措施[ 4 ],这也是 LC滤波器截止频率选择的原则之一.3 L, C参数的选择为得到理想的电压源 ,设计 LC滤波器选择其截止频率 ,从而消除变频器输出电压中的大部分谐波 ,使其就是在负载变化或非线性负载时也不含有电压畸变 ,其输出阻抗必须保持在 0. 因此 ,在选定LC滤波器截止频率的情况下 ,电容值应最大化而电感值应最小化. 但是 ,随着电容的增大会增大无功功率 ,从而使电源额定值变大. 所以 ,电容值应有一定的限制 ,而随着电容值的减小要相应地提高电感值.[ 5 ]下面介绍 L, C参数选择的几条具体原则.3. 1 电感 L 的选择滤波电感 L的选择首先要考虑基波在电感上的压降不能超过一定的范围 ,一般要求在 3% ～5% ;其次 ,电感值的选择要使谐波电流的有效值在逆变器电流容量的 10% ～20% ,否则逆变器可能由于谐波电流过大而进入保护状态. 这是决定电感 L 选择范围的两个条件.
3. 2 电容 C的选择
在低频即调制基波频率范围时 ,容抗大于感抗 ,此时电容是主要的限流元件. 电容值决定电容支路的基波电流 ,从而影响基波损耗. 选择电容值时要使得空载时流经电容支路的基波电流不超过逆变器电流输出容量的 10%. 另外 ,电容电感值的选择还要受到截止频率的限制. 这两个条件决定电容值的取值范围.
3. 3 调制深度 a对参数选择的影响由 3. 1节可知 ,电感 L 的最大值可根据基波在电感上 3% ～5%的压降来确定 ,而其最小值则根据谐波电流的有效值在逆变器电流容量的 10% ～20%来确定. 最小值的确定要考虑到调制深度 a的影响 ,由 Simulink 7. 0仿真得到 ,同一电感值时谐波电流随着调制深度 a的增大而增大 ,而同一调制深度时谐波电流随着电感值的增大而减小. 本文在调制深度 a为 1的情况下选择电感值 ,这样当调制深度 a变小时仍能满足要求.由 3. 2节可知 ,电容 C的上限值可以根据电容支路的基波电流不超过逆变器电流输出容量的10%来确定 ,即
式中 : Ic 表示电容支路的基波电流 ; IN 表示逆变器的电流输出容量 ;调制深度 a取不同值时电容 C的最大值不同 ,本文考虑取 a的最大值 1.
设计实现 1 台基于 VACON 通用变频器的30 kVA变频电源 ,系统结构见图 1. 系统的输入参数为 380 V, 50 Hz,变压器 T采用 320 /460 V ,Δ/ Y连接变压器 ,要求的输出参数是 440 V /60 Hz. 根据实际系统参数和要求 ,结合以上关于通用变频器输出谐波特性和 LC滤波器特性的分析以及 L, C 参数选择的基本原则 ,并按照最大负载时的谐波要求 ,首先确定 L, C 的大致取值范围分别在 1 mH和 20 μF左右;然后利用 Matlab 7. 0 的 Sim ulink工具对实际系统进行仿真 ,验证所选参数的滤波效果;最后选择最佳参数应用于实际变频电源系统.
3. 1 变频电源的 S im ulink仿真
利用 Matlab 7. 0 的 Sim ulink 工具中的 S IM 2 POW ER工具箱对实际所设计的系统进行仿真 , 其系统结构见图 5. 利用 POW ERGU I中的 FFT工具对仿真结果进行傅里叶分析 ,结果见图 6和 7.
图 5 变频电源的 S im ulink仿真
