[实用新型]抑制变频调速系统共模电压的电流反馈有源滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及抑制变频调速系统共模电压的电流反馈有源滤波器，属于变频器应用技术领域。

背景技术

目前在变频调速领域使用较为广泛的是三相两电平PWM（Pulse Width Modulation, 脉宽调制）变频器。它的基本原理是脉宽调制原理，即利用变频器三相桥臂共六个开关的一定顺序和时间间隔的动作使得输出电压作用于电机定子绕组的效果和三相正弦波相同。开关动作的策略称为脉宽调制方法。典型的三相两电平PWM变频调速系统如图1所示，其中1为三相两电平PWM变频器，2为三相输出变压器，3为交流电机，4为直流侧电压U_dc，5为共模电流i_c，L₂为三相输出变压器电感值，L₃为交流电机定子绕组电感值, 13为交流电机定子绕组中性点和地之间的耦合电容C_g。O点为电机外壳接地点，F点为变频器接地点。

三相两电平PWM变频器常采用正弦脉宽调制方法（Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM）或空间矢量脉宽调制方法(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)。这两种方法均会使交流电机定子绕组中性点和地平面之间存在固有的共模电压。共模电压的大小可通过三相两电平PWM变频器的八个基本开关状态得到，这八个基本开关状态对应四个共模电平，即±U_dc/2和±U_dc/6。典型的共模电压波形如图2所示。

共模电压施加于交流电机定子绕组中性点和电机外壳接地点之间。交流电机定子绕组中性点和电机外壳接地点之间可等效为存在耦合电容C_g。变频器开关频率较大时，共模电压的电压转换速率会比较大。由于耦合电容C_g的存在，共模电压会在变频器和电机的地平面之间引起较大的瞬时电流，如图1中5所示。典型的三相两电平PWM变频调速系统(图1所示)的共模等效电路如图3所示。其中6为共模电压。图中其余部件含义同图1。

这种瞬时电流会造成电机轴承的损坏，使用寿命的降低；其次，它也会引起变频器接地点和电机接地点之间的电压差，从而造成对控制系统的控制电压的干扰；最后，它的高频部分在某些情况下会通过天线进行电磁发射，对系统的薄弱环节形成干扰，影响系统的正常运行。

为了提高变频调速系统的寿命和可靠性，必须对系统的共模电压进行抑制。现有的抑制共模电压的方法可分为两类。

一类方法是通过改变脉宽调制策略减小共模电压，这种方法的主要出发点是在目标调制电压上叠加一个共模电压以抵消固有共模电压的影响。例如公开号为CN101359881的发明专利就属于此类：该发明专利申请公开了一种基于瞬时最小共模电压叠加的脉宽调制方法,它对传统的空间矢量脉宽调制方法的进行了改进，通过对相电压的目标值叠加一个最小共模电压，使得系统的共模电压降低。公开号为CN101860319A的发明专利提出了另一种脉宽调制方法来抑制共模电压，通过叠加直流分量提高直流电压利用率，再在叠加直流分量的基础上构造出一种新型的调制信号，抑制了大功率逆变器的共模电压。

通过改变脉宽调制策略减小共模电压的方法不需要增加额外的硬件，成本较低。但是也存在一些缺点，例如由于调制策略复杂，对控制器的计算能力要求较高；叠加的抵消共模电压的分量会降低直流电压的利用率；最后，大功率开关器件的非理想特性，例如死区会很大程度上影响这类方法的性能。

另一类方法是通过增加有源或无源滤波器来抑制共模电压。该方法虽然需要增加滤波器硬件，但在抑制共模电压的同时，不会影响系统的直流电压利用率，不会对开关器件造成额外的负担，对提高系统的寿命和可靠性有着积极的意义。其中，有源滤波方法相较于无源滤波方法参数设计更为灵活，体积更小，成本更低。