大容量PWM电压源逆变器的LC滤波器设计

大容量PWM电压源逆变器的LC滤波器设计

清华大学学报(自然科学版)2003年第43卷第3期

CN1122223 N.43,No.3JTsinghuaUniv(Sci&Tech),2003,Vol16 38

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大容量PWM电压源逆变器的LC滤波器设计

宋　强,　刘文华,　严干贵,　陈远华

(清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084)

摘　要:针对大容量变频调速装置中LC滤波器设计困难的问题,提出了特定消谐脉冲宽度调制(SHE2PWM)的逆变器优化控制方案。以三电平中点箝位(NPC)逆变器为研究对象,采用分段同步SHE2PWM保证整个调速范围内LC滤波器的谐振抑制问题,并给出了LC谐振频率的设计方法。采用此方法可以使大容量开关器件工作在较低的开关频率下。分析了LC滤波器对逆变器输出电流和机端电压的影响及滤波电容与电机之间的自激等问题,并据此提出了电抗参数和电容参数的具体设计原则和方法。在一台基于三电平

NPC逆变器的6kV题。一方面PWM电压的dv dt很大,研究表明较高

[2]

的dv dt将给电机绝缘造成较大压力。同时三相PWM电压的共模分量可能导致电机轴承电流问题,影响电机使用寿命甚至损坏电机[3]。在逆变器的输出侧与电机之间加入LC滤波器是解决这些问题的有效手段[4]。但是LC些新的问题LC的谐振,(GTO)或IGCT等,开关频率一般只允许在1kHz以下,同时由于损耗原因阻尼电阻在大容量装置中也是不现实的,所以必须通过对逆变器的优化控制和滤波器参数的优化设计来得到良好LC滤波器性能。另外LC滤波器的加入还会影响逆变器输出电流和机端

提方法的有效性。

关键词:LC滤波器;中图分类号:文章编号:1000()030345204

:A

LCfilterdesignforhigh-powerPWMvoltagesourceinverter

SONGQiang,LIUWenhua,YANGangui,CHENYuanhua

(DepartmentofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:Formediumvoltagedrivesbasedonpulsewidthmodulation(PWM)voltagesourceinverters,theLCfilterdesignisdifficultduetotheLCresonance.AnewoptimalLCfilterdesignmethodwasdevelopedbasedonathree2levelneutralpointclamped(NPC)inverterandselectedharmoniceliminatedPWM.Theexcitationoftheresonanceisactivelydampedthroughoutthewholeoperatingfrequencyrangeforlowswitchingfrequencies.TheeffectsoftheLCfilteronthemotorvoltageandinverteroutputcurrentwereanalyzed.Aparameterdesignmethodwasdevelopedfortheinductorandcapacitordesigns.Theproposedmethodwasconfirmedbyexperimentalresultsona6kVNPC2VSIbasedmediumvoltagedrive.

Keywords:LCfilters;ACdrives;selectedharmoniceliminated

电压情况,如设计不当将给逆变器带来额外负担。

本文以基于三电平中点嵌位(NPC)逆变器[5]的大容量调速装置为研究对象,结合谐波特定消除

[6]

PWM(SHE2PWM)技术,提出LC滤波器的优化设计方案,并深入研究LC器参数的设计原则及方法。最后给出在一台6kV异步电机调速装置上的试验结果。

1　LC滤波器的基本设计方法

1.1　NPC逆变器与LC滤波器

图1为带有LC滤波器的NPC逆变器变频调速装置原理图。NPC逆变器的每个开关器件开关频率只是PWM载波频率的1 2,可以在较低的开关频率下得到较高的PWM载波频率,对于降低PWM电压的谐波含量十分有利。LC滤波器由三

收稿日期:2002203208

目前,采用脉冲宽度调制(PWM)技术的电压源逆变器广泛应用于大容量变频调速装置中[1],但高压PWM逆变器直接驱动交流电机存在着一些问

作者简介:宋强(19752),男(汉),吉林,博士研究生。通讯联系人:刘文华,副研究员,

E2mail:liuwenh@

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∞

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相滤波电抗Lf和三相滤波电容Cf构成。其中滤波电容中点与大地(机壳)相连,目的是使滤波器对逆变器产生的共模电压分量也起到滤波作用,以减小施加在电机端子上的共模电压。滤波器的性能主要由Lf和Cf之间的谐振频率决定,LC谐振频率为

(1)fC=2ΠLf

Cf

VAO(Ξt)=

∑[a

n=1

n

sin(nΞt)+bncos(nΞt)],(3)

N个开关角度(自变量)Α1,Α2,…,ΑN可以构成N个

独立的方程,通过求解这N个角度,可以在控制基波电压幅值的同时选择消除N-1个特定的谐波分量,一般是选择消除低次谐波分量[6]。由于波形的对称性,偶次谐波已自然消除,3的倍数次谐波也不会出现在线电压中,所以选择消除的谐波次数应为非3倍数的低奇次谐波。这样PWM线电压中所含有的最低次谐波频率为:

ff

har(min)har(min)

=3N+1,=3N+2,

N为偶数时;N为奇数时.

(4)

由于从基波频率f1到最低次谐波频率fhar(min)

之间的所有谐波含量都已经被消除为零,只需选择LC谐振频率为

图1　NPC逆变器及LC滤波器的基本结构

10f1<f

C

<f

har()

2(5)

为了使机端电压更接近正弦同时又不会引起谐振问题,谐振频率必须要远小于PWM电压中所含

有的最低次谐波频率,同时又要远大于基波频率采用传统PWM方案,[4],,,

(2)fCfS10,其中:f1,fS为PWM的载波频率。

根据式(1),如果以基波频率f1为50Hz计算,

目前的大功率开关器件,如fS需要达到5kHz以上。

GTO或IGCT,都无法在这么高的开关频率下工

LC谐振问题。fC,

har(min),最后根据式(4)选择PWM载波频率。当基波频率f

1

50Hz时,选择N≥9即可满足要求,每个开关器件只需工作在500Hz左右的开关频率,完全可以用大功率开关器件实现。在基波频率f1发生变化时,可以采用分段同步SHE2PWM调制,根据式(4),(5)在不同的基波频段内选择不同的N,以保证在

整个调速范围内都可以对LC谐振进行有效抑制。

作。在低压应用中阻尼电阻通常是抑制LC谐振的一个有效手段,但在高压应用中由于损耗的原因也使其实际上不可实现。所以本文将提出采用NPC逆变器的SHE2PWM技术来抑制LC谐振的方法。1.2　NPC逆变器的SHE-PWM技术

2　Lf,Cf的参数选取

LC谐振频率是由Lf和Cf的乘积决定的,在确

定谐振频率后,Lf和Cf的参数还需分别确定。具体参数设计除要考虑电抗器和电容器的体积与造价外,还要考虑它们对装置性能的影响,这主要包括滤LC滤波器对机端电压和逆变器输出电流影响、波电容与电机之间的自激电压等因素。2.1　电机机端电压

特定谐波消除PWM(SHE2PWM)的基本原理

是根据事先计算好的开关角度,控制各功率器件的开关时间,使NPC逆变器输出电压达到所期望的波形。图2为NPC逆变器的SHE2PWM相电压波形,每1 4周期(0～Π 2)的开关次数为N。这个相电压可以用Fourier级数表示为

逆变器输出的基波电流会在电抗器上产生基波电压降落,必须考虑对这个压降进行补偿。如果电抗器上的基波压降过大将增加逆变器的负担,所以在设计LC滤波器时必须将这个压降控制在一定的范围内。图3所示为逆变器的输出电压、电机机端电压及电机、滤波电容基波电流的矢量关系图。图3中UINV,UM为额定条件下逆变器输出线电压和机端线电压,SN和cosΥ分别为电机的额定

容量和功率因数。在计算时可以忽略电机定子电流图2　NPC逆变器SHE-PWM的输出波形

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宋　强,等:　大容量PWM电压源逆变器的LC滤波器设计347

电压幅值也不断增长。随着自激电流的增长,电机磁路发生饱和,机端电压也达到最高。随后转速逐渐下降,机端电压也随之下降到零。在自激过程中,如果自激电压过大,将会对功率开关器件和电机都造成损坏。滤波电容是线性器件,其电容电流和电容电压关系可以表示如下,

IC=

图3　逆变器、滤波器及电机的电压、电流矢量关系

3

2ΠfmCf.(9)

电机的励磁电流可以近似为

I0m=

有功分量的影响,定义电压降的比率为

=Ε

UM

=Ξ1Lf

2UM

1-cos2-

.(6)ΞC

2

32ΠfmLm

,(10)

根据式(6),在谐振频率ΞC一定时,较大的电

抗将带来较大的基波压降,所以电抗不能过大。

另外滤波器的加入会使逆变器的输出功率发生变化,这主要是无功功率的变化,因为滤波电抗消耗掉无功,而滤波电容则会提供无功。2.2　LC滤波器引起的谐波电流

PWM。其中励磁电抗Lm具有饱和特性。

图4

为电容特性曲线和电机的空载特性曲线。电容特性曲线与电机空载特性曲线的交点决定了自激电压最大值。电容量较小时电容特性曲线斜率将增大,自激电压将降低。下,,。

谐波电流将流入逆变器,,所以必须。较大的滤波电抗对于减小谐波电流是有利的,较大的电容会增大谐波电流。具体的谐波电流可以根据逆变器的在额定情况下PWM电压各次谐波分量和LC对于各次谐波分量所呈现的等效阻抗来计算。

LC滤波器对各次谐波所呈现出的阻抗为

2

2Zn=,　n=1,2,3,…(7)

n2Πf1Cf可以用LC谐波电流系数来评估LC滤波器谐波电

流的大小,定义如下

∞

图4　滤波电容与电机励磁特性曲线

3　试验结果及分析

试验样机为一台6kV异步电机调速装置,主电路原理如图1。电机额定参数为6kV 320kW。NPC逆变器采用SHE2PWM控制。

图5a为逆变器输出电压频率为3Hz时的机端电压波形,图5b为相应的频谱。此时采用的是N=100的SHE2PWM,功率器件开关频率为300Hz。

har=

V

n

∑

I1

2

,(8)

为PWM线电压的n次谐波幅值,可以根据SHE2PWM开关角度得到。I1为额定基波电流幅值。

2.3　滤波电容与电机之间的自激

如果逆变器突然停止工作,而电机由于惯性继续旋转,滤波电容将为电机定子提供容性电流,使电机处于自励发电的状态,引起滤波电容与电机之间的自激。发生自激后自激电流幅值不断增长,电机端

图6a为逆变器输出电压频率为50Hz时的机端电

压波形,图6b为相应的频谱。此时采用的是N=9时的SHE2PWM,功率器件的开关频率为450Hz。从图5、图6的试验曲线可看出,经过LC滤波器后,机端电压得到了平滑,dv dt大为减小。并且由于采用了SHE2PWM优化控制,在较低的开关频率下达到了有效抑制LC谐振的目的。

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图5　f1=3Hz

时的机端电压和机端电压频谱

(上接第344页)

4,实现原理,其有。

状态自适应的监控逻辑设计方法具有逻辑严密、易扩充、不受特定监控硬件系统限制等诸多优点,基于该方法可有效提高OMCS的研发效率,对变频装置的实用化研究及其他电力电子装置的OMCS设计具有重要的参考价值。

图6　f1=50Hz时的机端电压和机端电压频谱

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4　结　论

1)大容量调速装置中采用PWM电压源逆变

器时,逆变器输出侧接入LC滤波器是十分必要的。

2)采用分段SHE2PWM优化控制可以在较低的开关频率下达到抑制LC谐振的目的。

3)在确定了LC谐振频率后,电抗值和电容值参数需要根据电机机端电压、滤波器谐波电流、电容与电机之间的自激电压等因素综合考虑设计。

4)试验结果表明本文提出的LC滤波器设计方法从低频到高频都可以得到比较好的性能。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8v51.html