驅(qū)動(dòng)器輸出濾波器的應(yīng)用有哪些？

1. 輸出濾波器概述

1.1 輸出濾波器的應(yīng)用需求

驅(qū)動(dòng)器類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景，特別是高壓場(chǎng)景，通常使用輸出濾波器來(lái)達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。

輸出濾波器的作用與場(chǎng)景應(yīng)用需求：

（1）電機(jī)的絕緣保護(hù)；

（2）降低電機(jī)噪聲；

（3）降低電機(jī)電纜中的高頻電磁干擾；

（4）降低電機(jī)的軸承電流和軸電壓；

1.2 輸出濾波器類(lèi)型

常用的輸出濾波器有正弦波濾波器、dU/dt濾波器和高頻干擾抑制濾波器；

（1）正弦波濾波器：適用于高于額定開(kāi)關(guān)頻率，但不得在低于額定開(kāi)關(guān)頻率的20%；

（2）dU/dt濾波器：適用于低于額定開(kāi)關(guān)頻率，但較高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致濾波器過(guò)熱，應(yīng)盡量避免使用；

（3）高頻干擾抑制濾波器：適用于降低輸出電磁干擾場(chǎng)合，一般為輸出磁環(huán)濾波器；

2. 電機(jī)的絕緣保護(hù)

2.1 輸出電壓的形成

變頻器的輸出電壓是上升時(shí)間tr的脈寬調(diào)制的梯形脈沖。當(dāng)逆變器橋工作時(shí)，IGBT開(kāi)關(guān)形成的dU/dt，會(huì)增加電機(jī)端子側(cè)的電壓，主要取決于以下因素：

• 電機(jī)電纜（類(lèi)型、橫截面、長(zhǎng)度、屏蔽或未屏蔽、分布電感和分布電容）；
• 電機(jī)的高頻浪涌沖擊；

由于電纜特性阻抗與電機(jī)電涌阻抗之間的阻抗不匹配而產(chǎn)生反射，導(dǎo)致電機(jī)端子的振鈴電壓超調(diào)，如下圖：

變流器輸出電壓和電機(jī)端子電壓示例

2.2 特征阻抗對(duì)電壓的影響

（1）電機(jī)特征阻抗隨著電機(jī)尺寸的增大而減小，從而使與電纜阻抗的失配減?。?/p>

（2）較低的反射系數(shù)(Γ)降低了波反射，從而導(dǎo)致電壓超調(diào)；

（3）在并聯(lián)電纜的情況下，電纜的特性阻抗降低，導(dǎo)致反射系數(shù)越高，超調(diào)越高；

（4）不同功率電機(jī)的反射系數(shù)：

反射系數(shù)的典型值

2.3 上升沿tr的測(cè)量與dU/dt的計(jì)算

（1）輸出電壓的測(cè)量：在電機(jī)端子上測(cè)量相間電壓、相電壓的上升時(shí)間tr和峰值電壓Upeak值；

（2）tr的測(cè)量方法主要有兩種；

國(guó)際IEC標(biāo)準(zhǔn)：將上升時(shí)間tr定義為峰值電壓峰值的10%至90%之間的時(shí)間；

IEC的tr

美國(guó)NEMA標(biāo)準(zhǔn)：將上升時(shí)間定義為最終穩(wěn)定電壓的10%到90%之間的時(shí)間；

NEMA的tr

（3）dU/dt計(jì)算

2.4 Upeak和tr的關(guān)系

各標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范提出了不同電機(jī)類(lèi)型的Upeak和tr的限制；

• IEC60034-17-通用電機(jī)，500V電機(jī)的極限線；
• IEC60034-25-變流器額定電機(jī)的限值：曲線A適用于500V電機(jī)，曲線B適用于690V電機(jī)；
• NEMA MG1-明確逆變器用途的電機(jī)；

Upeak和tr的關(guān)系

在實(shí)際的應(yīng)用中，當(dāng)Upeak和tr超過(guò)了適用于所用電機(jī)的限制，應(yīng)使用輸出濾波器來(lái)保護(hù)電機(jī)絕緣。

3. 降低電機(jī)聲噪聲

（1）電機(jī)產(chǎn)生的聲噪聲主要有三個(gè)來(lái)源。

• 電機(jī)磁芯通過(guò)磁致伸縮而產(chǎn)生的磁噪聲；
• 電機(jī)軸承產(chǎn)生的噪聲；
• 電機(jī)通風(fēng)所產(chǎn)生的噪音；

（2）當(dāng)變頻器控制電機(jī)時(shí)，施加給電機(jī)的脈寬調(diào)制（PWM）電壓在開(kāi)關(guān)頻率和諧波（主要是開(kāi)關(guān)頻率的兩倍）處產(chǎn)生額外的磁噪聲；

（3）在某些應(yīng)用場(chǎng)合中是不可接受的，為了消除這種額外的開(kāi)關(guān)噪聲，應(yīng)使用正弦波濾波器，對(duì)變頻器的脈沖形電壓進(jìn)行濾波，使其在電機(jī)端子為相對(duì)相的正弦電壓；

4. 降低電機(jī)電纜中的高頻電磁干擾

4.1 高頻電磁干擾形成與特點(diǎn)

（1）當(dāng)不使用輸出濾波器時(shí)，在電機(jī)端子發(fā)生的振鈴電壓是主要的高頻干擾源。

（2）電機(jī)端子上電壓振鈴的頻率與電機(jī)電纜中高頻傳導(dǎo)干擾的頻譜相關(guān)。

振鈴電壓與傳導(dǎo)干擾關(guān)系

（3）除了以上干擾成分外，還有其他的噪聲成分：

• 相地間的共模電壓及其諧波：低頻高振幅；
• IGBT引起的高頻干擾（10MHz以上）：高頻但振幅低；

4.2 輸出濾波器對(duì)電磁干擾的貢獻(xiàn)

（1）使用dU/dt濾波器的情況下：振鈴振蕩的頻率降低到150 kHz以下；

（2）使用正弦波濾波器的情況下：振鈴振蕩被完全消除，電機(jī)端電壓為正弦波；

（3）傳導(dǎo)干擾試驗(yàn)對(duì)比：

無(wú)輸出濾波器

有正弦波濾波器