電壓尖峰濾波器的製作方法

2023-06-29 04:53:46

專利名稱：電壓尖峰濾波器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於由變頻器驅動的電機或發電機的電壓尖峰濾波器，該電機或發電機通過長的傳輸電纜/母排連接到變頻器。
背景技術：
在理想的傳輸電纜條件下，變頻器輸出的脈衝波形在經過長電纜傳輸到電機或發電機之後，將維持其初始波形。但由於實際系統中感性元件和容性元件的存在，例如用於降低電壓變化率水平的輸出電抗器及相關的電容器，以及電纜和電機(或發電機)的電感及漏電容等，變頻器的輸出脈衝將發生振蕩，從而在電機或發電機的接線端子上產生過電壓尖峰；如果電纜的阻抗和電機/發電機的阻抗不匹配，由此產生的電壓尖峰會很高，從而損壞電機/發電機繞組的絕緣。具體地，如圖2所示，當變頻器的輸出脈衝Uph經由圖1所示的電機電纜等效迴路時，將產生如圖3所示的電壓波形畸變Ut ；由於長電纜電壓反射現象的存在，如果電纜參數 Lc、Rc、Cc與電機參數Lm、Rm、Cm存在很大的差異，例如185平方毫米線徑的100米電纜電感Lc約為0. 023mH/km,而1. 5麗電機的電感卻能達到1. 5mH,該電壓畸變將被疊加，從而在電機端子上產生很高的過電壓尖峰，即為差模電壓尖峰。該過電壓尖峰在電機內部等效 RLC迴路再次發生振蕩，從而在電機內部漏電容上產生很高的電壓尖峰，嚴重威脅電機的絕緣安全。圖4-5示出了共模電壓尖峰的示意圖，該電路沒有直接的閉合迴路，但由於導線的電磁耦合效應使得分布電容的作用非常突出，尤其是在PWM系統的調製方式下。在變頻器輸出系統中，如圖1所示，Cc不僅可以表示相電纜之間的漏電容，同時也可以表示相電纜和地電纜之間的漏電容。因此共模電壓Ucom= (Uu+Uv+Uw)/3，即共模電壓的大小等於變頻器輸出三相的電壓波形輸出的矢量和；如圖2所示，由於變頻器輸出脈衝發生畸變而產生了電壓尖峰，因而共模電壓也同樣會產生尖峰。現有技術中，解決上述電壓尖峰的方案主要有1、在電機接線端子上加裝阻容濾波器(如圖6所示)當圖3所述的輸出脈衝到達U、V相電機端子時，差模電壓尖峰即開始給U、V相電容Cuv和Cvw充電，直至達到電壓平衡，充電過程截止；當變頻器輸出電壓反向時，即圖3所示的電壓波形為負，則Cuv和Cvw 需要先完全放電，然後才能反方向充電直到電壓平衡。為滿足快速充放電的需求，RC濾波器的參數都將選取較小的值，而較小的電阻Ruv、Rvw, Rwu將產生較大的充電電流，從而導致較大的濾波器功耗。在圖6中，RC濾波器在濾除共模電壓尖峰時，只使用單相阻容參數組，如Cuv和 Ruv ；在濾除差模電壓尖峰時，則使用了兩相阻容參數組串聯，如Cuv和Ruv、Cw和Rw。因此該濾波器在削減峰值電壓對差模電壓和共模電壓的削減效果有較大的差別，削減後的差模電壓尖峰和共模電壓尖峰也會存在很大的不同。圖6中的RC濾波器併入系統時，其阻容參數將改變變頻器輸出脈衝的振蕩頻率，在特定情況下，可能引發電機系統的諧振，從而導致電機系統的誤操作。綜上所述，上述RC濾波器具有如下缺點第一，當阻容濾波器連接到電機/發電機端子時，傳動側的電機/發電機模型參數會發生改變，這意味著每當阻容濾波器連接到系統或從系統中斷開時，變頻器都需要對電機/發電機參數進行辨識，否則電機的控制可能引發預期外的工作狀態，例如電磁振蕩；第二，阻容濾波器會導致高耗能，並且該種濾波器在削減差模電壓尖峰和共模電壓尖峰時的性能差異難以平衡。2、使用RLC(電阻-電感-電容)濾波器來降低變頻器輸出的電壓變化率(如圖7 所示)將RLC濾波器串接到變頻器輸出與電機之間，當電機容量較大時，例如兆瓦級電機， 其驅動電流可達1000A以上，電感L上的等效電阻Ru、Rv、Rw上的功耗P正比於電流的平方值，因而功率越高，濾波器產生的功耗就越大。

實用新型內容本實用新型公開了一種電壓尖峰濾波器，以解決現有的由變頻器驅動的電機或發電機產生過電壓尖峰破壞電機或發電機絕緣的技術問題。本實用新型所述的電壓尖峰濾波器，並聯在電機或發電機端子之上，包括三相整流橋、濾波電容和濾波電阻，三相整流橋的輸入端分別與三相電源的U端、V端、W端相連，濾波電容和濾波電阻分別以並聯的方式與三相整流橋的輸出端相連。在上述技術方案中，電壓尖峰濾波器還可以包括由共模二極體組成的第四整流橋臂，第四整流橋臂與三相整流橋共同構成四相整流橋，第四整流橋臂的輸入端與接地端&id 相連，濾波電容和濾波電阻分別以並聯的方式與四相整流橋的輸出端相連。在上述技術方案中，三相整流橋可以由多個整流二極體組成。在上述技術方案中，濾波電容的取值可以為0. 01 μ F-δΟμ F，濾波電阻的取值可以為 0. IkQ-IOOkQ 0在上述技術方案中，三相整流橋的輸入端分別可以串聯有熔斷器。在上述技術方案中，四相整流橋的輸入端分別可以串聯有熔斷器。在上述技術方案中，電壓尖峰濾波器還包括可控元器件，可控元器件與濾波電阻串聯。在上述技術方案中，可控元器件可以為絕緣柵雙極型電晶體。本實用新型的電壓尖峰濾波器，具有如下有益技術效果(1)由於通過四相整流橋與主迴路隔開，因此電壓尖峰濾波器的接入、斷開或者濾波器內部參數的改變均不會改變電機/發電機的模型參數；因此，變頻器不需要通過辨識過程重新計算電機/發電機的模型參數，且不會在實際系統中引發如電磁振蕩等預期外的工作狀態。(2)通過同樣的阻容參數組同時降低差模電壓尖峰和共模電壓尖峰，差模電壓尖峰和共模電壓尖峰都將被削減到相同的水平，且阻容迴路任何參數的改變都會使差模電壓尖峰和共模電壓尖峰產生同樣的變化趨勢。(3)本實用新型的電壓尖峰濾波器，只削減超出濾波電容Cf電壓水平的過電壓尖峰，具有較低功耗；濾波電容Cf上的電壓通過對變頻器輸出的整流以及相對地電壓的整流而得到的，因此，該電壓水平比變頻器的直流電壓要高；而且，與現有的阻容濾波器不同的是，濾波電容Cf在每個周期內不會完全放電，因此，本實用新型的電壓尖峰濾波器的功耗比現有的阻容濾波器要低很多。

圖1是現有技術中電機電纜系統的單相等效電路示意圖，其中Lc、Rc、Cc分別表示電纜的電感、電阻及漏電容，Lm、Rm、Cm分別表示電機的等效單相電感、電阻及漏電容；圖2是現有技術中變頻器斬波輸出脈衝Uph的示意圖，該脈衝Uph施加在電機兩相之間，如U相與V相之間；圖3是圖2中的輸出脈衝Uph產生的差模電壓尖峰示意圖，該輸出脈衝經長電纜傳輸後產生波形畸變Ut，波形畸變Ut的上升沿及下降沿由於線纜電感及漏電容的存在產生了諧振，形成了差模電壓尖峰；圖4為現有技術中變頻器的輸出高頻脈衝在電纜對地漏電容上產生的浮地共模電壓示意圖；圖5為圖4中的共模電壓尖峰示意圖；圖6是現有技術中RC濾波器的結構示意圖；圖7是現有技術中RLC濾波器的結構示意圖；圖8是本實用新型電壓尖峰濾波器的電路結構示意圖；圖9是連入本實用新型的電壓尖峰濾波器前後、電纜漏電容Cc上的電壓曲線變化及濾波電容Cf上直流電壓波形的示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖，對本實用新型的幾個具體實施方式
進行詳細描述，但應當理解本實用新型的保護範圍並不受具體實施方式
的限制。如圖8所示，本實用新型的電壓尖峰濾波器並聯在電機/發電機端子之上，整流二極體D1-D6構成三相整流橋，該三相整流橋的三個輸入端分別與三相電源的U端、V端、W端相連，濾波電容Cf和濾波電阻Rf分別以並聯的方式與三相整流橋的三個輸出端相連。同時，本實用新型的電壓尖峰濾波器還包括兩個共模二極體D7和D8，共模二極體 D7和D8組成第四整流橋臂，第四整流橋臂與三相整流橋組成四相整流橋，四相整流橋中的三相整流橋(D1-D6)的輸入端分別與三相電源的U端、V端、W端相連，第四整流橋臂(D7和 D8)的輸入端與接地端&id相連，濾波電容Cf和濾波電阻Rf分別以並聯的方式與四相整流橋的四個輸出端相連。需要說明的是，二極體D7和D8為共模二極體，共模二極體即為共模電壓整流二極體的簡稱，本領域技術人員應能理解，共模二極體與整流二極體完全相同。本實用新型的電壓尖峰濾波器，在被施以差模電壓尖峰時，通過三相整流橋(整流二極體D1-D6)進行整流，並由濾波電容Cf吸收，濾波電容Cf上的能量最終通過濾波電阻Rf消耗掉；在被施以共模電壓尖峰時，共模電壓尖峰將產生一個電流，該電流流經四相整流橋(整流二極體D1-D6、共模二極體D7、D8)，共模電壓尖峰的能量也由濾波電容Cf吸收，濾波電容Cf上的能量最終通過濾波電阻Rf消耗掉。下面分別以圖2-3、圖4-5為例分別詳細介紹本實用新型的電壓尖峰濾波器在被施加差模電壓尖峰和共模電壓尖峰的工作原理被施加差模電壓尖峰時三相整流橋的工作原理假設圖3所示的差模電壓尖峰被施加在電機的U、V相之間，電機接線端子上接入本實用新型的電壓尖峰濾波器，當電壓Ut 超過濾波電容Cf的端電壓UfO時，該電壓Ut使整流二極體Dl和D4導通，並對濾波電容Cf 進行充電，從而將導致電纜漏電容Cc上電壓上升的一部分能量釋放到濾波電容Cf上，以此來降低電容Cc上的電壓尖峰，如圖9所示。當電容Cc和Cf的電壓均達到Uft時，由於之後Cc上的電壓Ut低於Cf上的電壓Uf，因此整流二極體Dl和D4停止工作，Cf上的能量也不能反饋回Cc上，只能按照濾波器RC迴路的時間常數特性T = RC進行放電直至下一個脈衝波形的到來，從而將Cc上的電壓有效抑制在Uft之下。根據能量守恆定律，原促使Cc電容電壓上升的能量被Cc和Cf同時吸收，其電壓上升速度會減慢，且峰值降低，從而完成了本電壓尖峰濾波器的差模電壓尖峰的削減過程。被施加共模電壓尖峰的工作原理假設圖5所示的共模電壓尖峰被施加在電機的 U相和&id端時，二極體Dl和D8導通使Cf開始充電，充電過程與上述差模電壓尖峰的削減過程類似。同理，當差模電壓尖峰和共模電壓尖峰同時被施加到本實用新型的電壓尖峰濾波器時，例如，當圖3所述的差模電壓尖峰和圖5所述的共模電壓尖峰同時被施加在本實用新型的電壓尖峰濾波器的U端、V端、&id端，二極體D1、D4、D8同時導通，Cf同時吸收共模電壓尖峰及差模電壓尖峰的能量，有效削減差模電壓尖峰或共模電壓尖峰，具體充電過程與上述差模電壓削減過程類似。在實際的變頻器和電機/發電機系統中，在本實用新型的電壓尖峰濾波器未接入系統時，差模電壓尖峰Ut能夠達到1600V，共模電壓尖峰可達1450V，而將本電壓尖峰濾波器接入系統後，差模電壓尖峰和共模電壓尖峰都能被削減到1380V以下，從而滿足生產實際中對尖峰電壓小於1400V的要求。此時，電壓尖峰濾波器的濾波電容的取值為0. 01 μ F <=Cf <=501^，所述濾波電阻的取值為0. IkQ <=Rf <= IOOkQ ；其中，電壓尖峰濾波器的實際元器件及參數取決於電機的類型、功率及電纜參數及長度等因素，但每個電壓尖峰濾波器的結構相同。由於整流橋的反向阻斷特性，因而濾波電容Cf的放電過程完全由電壓尖峰濾波器內部RC迴路的參數Rf和Cf決定，即V(t) = Uft(l-exp(-t/RfCf))。因此，當Rf和Cf 增大時，由於時間常數Tf = RfCf增大，因此放電過程放緩；換句話說，在下一個脈衝到來時，無論該脈衝是差模電壓尖峰還是共模電壓尖峰，Cf上的初始電壓UfO都將被抬高，當從 Cc上吸收同樣能量的情況下，差模或共模電壓尖峰Uft也將相應增加；同理，當Rf和Cf減小時，差模或共模電壓尖峰Uft也將隨之減小。綜上所述，通過改變Rf和Cf的值，可以加速或放緩Cf的放電速度，因此選擇合適的參數組可以防止濾波電容Cf上的電壓下降過低。當差模電壓尖峰和共模電壓尖峰同時到達時，本電壓尖峰濾波器吸收的能量Pf =Pd+Pc = Cf (Uft-UfO)/2，其中，Pd為差模電壓尖峰被吸收的能量，Pc為共模電壓尖峰被吸收的能量。從上式可以看出，電壓的變化率(Uft-UfO)比單獨的差模電壓尖峰或共模電壓尖峰吸收能量的變化率要大，即圖9中濾波電容Cf的電壓上升曲線具有較大的斜率，因此到達新平衡點的時間較短。根據圖9中波形圖的對比可知，新平衡點電壓大於單個差模電壓尖峰或共模電壓尖峰到達時的平衡電壓Uft，該平衡電壓Uft也為共模電壓尖峰或差模電壓尖峰的最大值。因此，在接入本電壓尖峰濾波器後，共模電壓和差模電壓削減後的最大尖峰電壓水平相近。本領域的技術人員應該了解，變頻器輸出的差模電壓經過三相整流橋整流後在Cf 上可以獲得與變頻器直流電壓相等的差模直流電壓。在本電壓尖峰濾波器中，由於第四整流橋臂(D7和D8)的存在，使得U、V、W三個相線上的共模電壓尖峰的能量都可以通過濾波電容Cf來吸收，這些能量經過整流後形成與Cf上的差模直流電壓同方向的共模直流電壓， 該差模直流電壓和共模直流電壓疊加之後形成Cf上的直流電壓波形Uf，如圖3所示。因此， 通過選擇合適的Rf和Cf參數，可以使Cf上的直流電壓UfO高於變頻器的直流電壓Udc，從而減少本電壓尖峰濾波器對正常脈衝能量的吸收，降低電壓尖峰濾波器本身的損耗。需要說明的是，圖9中的Udc為變頻器的直流電壓水平，也即為圖2中Uph的脈衝幅值。如圖8所示，在三相整流橋或四相整流橋的輸入端還串聯有熔斷器、熔斷指示配件或對電阻溫度進行監控的溫度控制傳感器，該部件可以連接到電機系統中作為故障報警等指示信號。如背景技術中描述的RC濾波器，圖3中的差模電壓尖峰到達U、V相電機端子，為了滿足快速充電的要求，RC濾波器的參數將選取較小值，導致濾波器較大的功耗。圖8所示的本實用新型的電壓尖峰濾波器在U、V相電壓發生反向時，只是導通不同的二極體橋臂， 例如由D1、D4變成D2、D3，濾波電容Cf的充電電流方向不發生改變，從而避免了電容Cf完全充放電引起的高功耗。需要說明的是，本實用新型的電壓尖峰濾波器還可以包括對放電過程進行主動控制以降低更多的濾波器功耗的器件；亦即，諸如絕緣柵雙極型電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)之類的可控元器件能夠被串聯到濾波電阻Rf上以避免濾波電容Cf的電壓下降的過低。以上公開的僅為本實用新型的幾個具體實施例，但是，本實用新型並非局限於此， 任何本領域的技術人員能思之的變化都應落入本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種電壓尖峰濾波器，並聯在電機或發電機端子之上，其特徵在於，包括三相整流橋、濾波電容和濾波電阻，所述三相整流橋的輸入端分別與三相電源的U端、V端、W端相連， 所述濾波電容和濾波電阻分別以並聯的方式與所述三相整流橋的輸出端相連。
2.根據權利要求1所述的電壓尖峰濾波器，其特徵在於，還包括由共模二極體組成的第四整流橋臂，所述第四整流橋臂與所述三相整流橋共同構成四相整流橋，所述第四整流橋臂的輸入端與接地端&id相連，所述濾波電容和濾波電阻分別以並聯的方式與所述四相整流橋的輸出端相連。
3.根據權利要求1或2所述的電壓尖峰濾波器，其特徵在於，所述三相整流橋由多個整流二極體組成。
4.根據權利要求1或2所述的電壓尖峰濾波器，其特徵在於，所述濾波電容的取值為 0.01 μ F-50 μ F，所述濾波電阻的取值為0. Ik Ω-IOOk Ω。
5.根據權利要求1所述的電壓尖峰濾波器，其特徵在於，所述三相整流橋的輸入端分別串聯有熔斷器。
6.根據權利要求2所述的電壓尖峰濾波器，其特徵在於，所述四相整流橋的輸入端分別串聯有熔斷器。
7.根據權利要求1或2所述的電壓尖峰濾波器，其特徵在於，還包括可控元器件，所述可控元器件與所述濾波電阻串聯。
8.根據權利要求7所述的電壓尖峰濾波器，其特徵在於，所述可控元器件為絕緣柵雙極型電晶體。
專利摘要本實用新型公開了一種電壓尖峰濾波器，以解決現有的由變頻器驅動的電機或發電機產生過電壓尖峰破壞電機或發電機絕緣的技術問題。本實用新型所述的電壓尖峰濾波器，並聯在電機或發電機端子之上，包括三相整流橋、濾波電容和濾波電阻，三相整流橋的輸入端分別與三相電源的U端、V端、W端相連，濾波電容和濾波電阻以並聯的方式與三相整流橋的輸出端相連。本實用新型的電壓尖峰濾波器，具有如下有益技術效果通過同樣的阻容參數組同時降低差模電壓尖峰和共模電壓尖峰，差模電壓尖峰和共模電壓尖峰都將被削減到相同的水平，且阻容迴路任何參數的改變都會使差模電壓尖峰和共模電壓尖峰產生同樣的變化趨勢。
文檔編號H02J3/01GK202042906SQ20112017353
公開日2011年11月16日 申請日期2011年5月13日 優先權日2011年5月13日
發明者林賢聰 申請人:北京Abb電氣傳動系統有限公司