為提高通用變頻器的性能 ,克服其輸出電壓中豐富諧波影響設(shè)備的運(yùn)行效率甚至造成設(shè)備和電纜損壞的不足 ,從通用變頻器的輸出諧波特性即諧波的分布特點(diǎn)以及 LC濾波器的幅頻特性出發(fā) ,提出應(yīng)用 LC濾波器和通用變頻器設(shè)計(jì)變頻電源的工程設(shè)計(jì)方法. 首先根據(jù) L, C 參數(shù)的選擇原則確定 L, C 參數(shù)大致的取值 ,然后利用 Matlab 7. 0的 Sim ulink工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真 ,得到最優(yōu)參數(shù) ,并實(shí)際設(shè)計(jì) 1臺(tái)基于 VACON通用變頻器的 30 kVA 變頻電源. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證應(yīng)用 LC濾波器和通用變頻設(shè)計(jì)變頻電源的可行性 ,證明該變頻電源工程設(shè)計(jì)方法的有效性和實(shí)用性.

引 言 隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步 ,變頻技術(shù)得到很大發(fā)展 ,但是也產(chǎn)生一些問題. 首先 , GTO , BJT, IGB T 等先進(jìn)的電力電子器件具有很小的輸出電壓上升時(shí)間 tr ,它們的使用使得變頻器的輸出電壓變化率 dv / d t很大. 在帶電機(jī)負(fù)載的應(yīng)用中 ,這些急劇升降的脈沖導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)電壓的不均勻分布 ,致使電機(jī)不能正常工作. 其次 , 在很多工程應(yīng)用中 , 脈寬調(diào)制( Pulse W idth Modulation, PWM )變頻器與電機(jī)之間都離得較遠(yuǎn) ,需用相當(dāng)長(zhǎng)的電纜連接變頻器和電機(jī). 由于長(zhǎng)電纜的漏電感和耦合電容的作用 ,當(dāng)變頻器電壓脈沖傳到電機(jī)端時(shí)會(huì)通過長(zhǎng)電纜產(chǎn)生電壓反射 ,從而導(dǎo)致電機(jī)端過電壓 ,使電機(jī)絕緣損壞 ,電纜爆裂. [ 1, 2 ] PWM 變頻輸出還存在豐富的諧波. 為了解決上述問題 ,有效的方法是在 PWM 變頻器的輸出端加上二階 LC正弦波濾波器 ,將 PWM 波形濾成接近正弦的電壓波形 ,使輸出電壓的諧波總畸變率( To tal Harmonic D isto rtion, THD ) hTHD值低于 5%. 由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高及容量大等特點(diǎn) ,在變頻器輸出濾波器設(shè)計(jì)中是首選. 對(duì)通用變頻器的輸出利用 LC濾波器進(jìn)行濾波及一定的控制 ,就能得到比較理想的變頻電源 ,其結(jié)構(gòu)見圖 1.

圖 1 變頻電源的結(jié)構(gòu)
本文分析通用變頻器的輸出諧波特性和 LC濾波器的幅頻特性 ,結(jié)合工程實(shí)際仿真并設(shè)計(jì) 1 臺(tái)基于通用變頻器的 30 kVA 變頻電源.0通用變頻器輸出諧波特性及其Simulink仿真

 

通常 ,通用變頻器的調(diào)制方式有正弦波脈寬調(diào)制方式 ( SPWM ) 和電壓空間矢量脈寬調(diào)制方式( SV PWM ). 當(dāng)使用微控制器實(shí)現(xiàn) SPWM 調(diào)制時(shí)通常采用平均對(duì)稱規(guī)則采樣方法 ,,此時(shí)三相逆變器輸出線電壓的基波和諧波幅值[ 3 ]分別為 :

基波 3aEd

2

由以上通用變頻器的輸出電壓幅值特性可知 , 諧波主要分布在以載波頻率及其整數(shù)倍為中心的頻帶上.下面是對(duì)以上結(jié)論的 Sim ulink仿真. 仿真中變頻器采用 SPWM 調(diào)制 ,載波頻率為 3 600 Hz, 仿真結(jié)果見圖 2.

( a)

圖 2 變頻器輸出電壓的諧波特性由圖 2 ( b)可以直觀清楚地看出 ,諧波主要分布在 3 600 Hz及其整數(shù)倍的頻率范圍上. 用 SVPWM調(diào)制時(shí) ,諧波的分布具有類似情況.

2 LC二階低通濾波器
這里的 LC低通濾波器也是 1種二階 RLC低通濾波器. 但在很多情況下 ,為使濾波器的損耗盡可能小 ,一般都將阻尼電阻去掉 ,見圖 1中虛線框 (LC濾波器 ) ,其單相等效電路見圖 3

圖 3 LC濾波器單相等效

利用 Matlab中連續(xù)系統(tǒng)頻率特性命令 bode( num, den, w)可得不同 L, C值時(shí)對(duì)應(yīng)的幅頻特性(見圖 4)

圖 4 不同參數(shù)時(shí) LC濾波器的幅頻特性由圖 4左下角的數(shù)據(jù)可知 ,此 LC濾波器的截止頻率在 6 000 rad /s左右 ,即 955 Hz左右. 與圖 4曲線對(duì)應(yīng)的 L, C參數(shù)見表 1

表 1 與圖  4曲線對(duì)應(yīng)的 L , C 參數(shù)值

 

曲線	L /mH	C /μF
1	1.  0	10
2	1.  2	25
3	2.  0	20

 

由圖 4 分析可知 ,這種二階 LC低通濾波器在截止頻率以上的范圍內(nèi)具有較高的幅值衰減 ,能達(dá)到濾除高頻諧波的目的. 通用變頻器的諧波分量主要分布在以載波頻率及其整數(shù)倍為中心的頻帶上 , 這些頻率一般都屬于高頻范圍 ,完全可以由 LC二階低通濾波器濾去. 故在基于通用變頻器的變頻電源設(shè)計(jì)中應(yīng)用此種 LC二階低通濾波器是可行的.

為使濾波后的電壓接近正弦 ,濾波器的截止頻率較低 ,其值必須低于產(chǎn)生大量諧波成分的 PWM開關(guān)頻率 ,高于逆變器的輸出基波頻率. 這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的濾波器是 1種諧振電路 ,會(huì)產(chǎn)生電壓諧振現(xiàn)象.抑制諧振的方法通常是在濾波電容 C上串接阻尼電阻 Rf,但在此電阻上會(huì)產(chǎn)生很大損耗 ,因此設(shè)計(jì)中并未加入阻尼電阻 ,即 Rf = 0. 為避開諧振 ,只需使諧振頻率比基波頻率大很多 ,而不必采取諧振抑制措施[ 4 ],這也是 LC濾波器截止頻率選擇的原則之一.3 L, C參數(shù)的選擇為得到理想的電壓源 ,設(shè)計(jì) LC濾波器選擇其截止頻率 ,從而消除變頻器輸出電壓中的大部分諧波 ,使其就是在負(fù)載變化或非線性負(fù)載時(shí)也不含有電壓畸變 ,其輸出阻抗必須保持在 0. 因此 ,在選定LC濾波器截止頻率的情況下 ,電容值應(yīng)最大化而電感值應(yīng)最小化. 但是 ,隨著電容的增大會(huì)增大無功功率 ,從而使電源額定值變大. 所以 ,電容值應(yīng)有一定的限制 ,而隨著電容值的減小要相應(yīng)地提高電感值.[ 5 ]下面介紹 L, C參數(shù)選擇的幾條具體原則.3. 1 電感 L 的選擇濾波電感 L的選擇首先要考慮基波在電感上的壓降不能超過一定的范圍 ,一般要求在 3% ～5% ;其次 ,電感值的選擇要使諧波電流的有效值在逆變器電流容量的 10% ～20% ,否則逆變器可能由于諧波電流過大而進(jìn)入保護(hù)狀態(tài). 這是決定電感 L 選擇范圍的兩個(gè)條件.

 

3. 2 電容 C的選擇
在低頻即調(diào)制基波頻率范圍時(shí) ,容抗大于感抗 ,此時(shí)電容是主要的限流元件. 電容值決定電容支路的基波電流 ,從而影響基波損耗. 選擇電容值時(shí)要使得空載時(shí)流經(jīng)電容支路的基波電流不超過逆變器電流輸出容量的 10%. 另外 ,電容電感值的選擇還要受到截止頻率的限制. 這兩個(gè)條件決定電容值的取值范圍.

3. 3 調(diào)制深度 a對(duì)參數(shù)選擇的影響由 3. 1節(jié)可知 ,電感 L 的最大值可根據(jù)基波在電感上 3% ～5%的壓降來確定 ,而其最小值則根據(jù)諧波電流的有效值在逆變器電流容量的 10% ～20%來確定. 最小值的確定要考慮到調(diào)制深度 a的影響 ,由 Simulink 7. 0仿真得到 ,同一電感值時(shí)諧波電流隨著調(diào)制深度 a的增大而增大 ,而同一調(diào)制深度時(shí)諧波電流隨著電感值的增大而減小. 本文在調(diào)制深度 a為 1的情況下選擇電感值 ,這樣當(dāng)調(diào)制深度 a變小時(shí)仍能滿足要求.由 3. 2節(jié)可知 ,電容 C的上限值可以根據(jù)電容?支路的基波電流不超過逆變器電流輸出容量的10%來確定 ,即式中 : Ic 表示電容支路的基波電流 ; IN 表示逆變器的電流輸出容量 ;調(diào)制深度 a取不同值時(shí)電容 C的最大值不同 ,本文考慮取 a的最大值 1.

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 1 臺(tái)基于 VACON 通用變頻器的30 kVA變頻電源 ,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖 1. 系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)為 380 V, 50 Hz,變壓器 T采用 320 /460 V ,Δ/ Y連接變壓器 ,要求的輸出參數(shù)是 440 V /60 Hz. 根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)和要求 ,結(jié)合以上關(guān)于通用變頻器輸出諧波特性和 LC濾波器特性的分析以及 L, C 參數(shù)選擇的基本原則 ,并按照最大負(fù)載時(shí)的諧波要求 ,首先確定 L, C 的大致取值范圍分別在 1 mH和 20 μF左右;然后利用 Matlab 7. 0 的 Sim ulink工具對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行仿真 ,驗(yàn)證所選參數(shù)的濾波效果;最后選擇最佳參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際變頻電源系統(tǒng).

3. 1 變頻電源的 S im ulink仿真

利用 Matlab  7. 0 的 Sim ulink 工具中的 S IM 2 POW ER工具箱對(duì)實(shí)際所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真 , 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖 5. 利用 POW ERGU I中的 FFT工具對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行傅里葉分析 ,結(jié)果見圖 6和 7.

圖 5 變頻電源的 S im ulink仿真