隨著(zhù)微電子技術(shù)和現代控制理論在交流變頻調速系統中的應用，變頻器(或逆變器)的性能也得到飛躍性的提高，并越來(lái)越廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)和日常工作的許多領(lǐng)域之中。但是，變頻器輸出的具有陡上升沿或下降沿的脈沖電壓卻在電動(dòng)機接線(xiàn)端子及繞組上產(chǎn)生了過(guò)電壓，造成電動(dòng)機繞組絕緣的過(guò)早破壞。試驗研究表明，很高的電壓上升率(dv/dt)在電動(dòng)機繞組上產(chǎn)生極不均勻的電壓分布，且隨著(zhù)變頻器與電動(dòng)機之間電纜(線(xiàn))長(cháng)度的增加，在電動(dòng)機接線(xiàn)端子上產(chǎn)生高頻振蕩的過(guò)電壓，當電纜長(cháng)度超過(guò)某一臨界值后，電動(dòng)機端子上過(guò)電壓的幅值達到變頻器輸出電壓的2倍，長(cháng)時(shí)間重復性的電壓應力的作用將導致電動(dòng)機繞組匝間絕緣的過(guò)早破壞。
為了降低電動(dòng)機端子上高頻振蕩的過(guò)電壓，最適宜的方法之一是在電動(dòng)機端子上安裝特殊設計的濾波器。濾波器的參數與變頻器特性及電纜參數有關(guān)，然而變頻器、電纜及電機一般都不是同一制造商或銷(xiāo)售商提供，變頻器的開(kāi)關(guān)特性、電纜參數及長(cháng)度的不確定性，使得濾波器的參數選擇具有不固定性。關(guān)于濾波器的參數與電機端電壓或電流特性的關(guān)系，目前還未有系統研究的報道。本文主要研究在不同電纜長(cháng)度下，濾波器的參數對電機端電壓特性的影響，確定電纜長(cháng)度、濾波器的電阻和電容與電機端子過(guò)電壓幅值及脈沖上升沿時(shí)間的關(guān)系，找出濾波器參數的選擇范圍，為變頻調速驅動(dòng)系統的制造和使用提供試驗依據和理論基礎。
2、試驗研究及分析
PWM變頻調速驅動(dòng)系統中，造成電機端子產(chǎn)生高頻振蕩過(guò)電壓的原因，用傳輸線(xiàn)理論可以很好地解釋?zhuān)⑶彝ㄟ^(guò)試驗研究也進(jìn)一步得到證實(shí)，它是造成電機絕緣過(guò)早破壞的原因之一，因此為了延長(cháng)電機壽命，除了提高電機自身的絕緣水平外，還必須盡最大可能抑制過(guò)電壓的浪涌沖擊。
2、1濾波器與驅動(dòng)系統的等值電路
在電動(dòng)機端子上安裝阻抗匹配器可以很大程度地消弱過(guò)電壓，最簡(jiǎn)單的是并聯(lián)一個(gè)與電纜的波阻抗接近的電阻，但由于電纜(線(xiàn))的波阻抗很小，一般為10Ω～500Ω，故并聯(lián)電阻上的功耗很大，達到數百至數千瓦，因此一般不采用純電阻匹配器，通常都采用一階RC低通濾波器。
無(wú)源低通一階阻尼濾波器是電阻和電容串聯(lián)后并接在電機接線(xiàn)端子相—相上，根據傳輸線(xiàn)一次波過(guò)程的彼得遜(Petersen)規則，濾波器與變頻器、電纜和電機組成了如圖1所示的等值電路，其中2US為等值電源電壓，US即為變頻器輸出電壓，Z0為等值電纜波阻抗，Zm為電機繞組波阻抗，Rf為濾波器電阻，Cf為濾波器電容。
電動(dòng)機端子上電壓上升沿波形與濾波器電容Cf和電阻Rf的關(guān)系：(a)Cf=0.08μF (b)Cf=0.02μF (c）Cf=0.005μF (d)Cf=0.001μF
以前研究中已經(jīng)證實(shí)，在通用PWM驅動(dòng)變頻器的載波頻率(600Hz～15kHz)下，平均脈沖寬度在數十微秒以上，而由波過(guò)程產(chǎn)生的高頻振蕩過(guò)程一般約需十幾微秒，因此在分析PWM變頻器輸出的連續脈沖波的波過(guò)程時(shí)，可用一個(gè)階躍波的波過(guò)程來(lái)表示。
電纜的波阻抗Zc可通過(guò)測量單位長(cháng)度的電容C0和電感L0來(lái)求得。本文采用低壓三相PVC絕緣護套電纜線(xiàn)，測得相—相間C0約為7.6×10－11 F/m ，L0約為6.5×10－7 H／m，從而根據Zc=(L0/C0)1／2求得Zc約為92Ω。這里考慮電源有很小的內阻抗，因此等值電纜波阻抗Z0可近似取為100Ω。電動(dòng)機由于是電感性負載，其波阻抗Zm遠大于電纜的波阻抗。
2、2濾波器的參數對端子上電壓波形的影響
對于陡上升沿的電壓波來(lái)說(shuō)，濾波器的電容Cf可認為是零波阻抗，相當于短路，如果取濾波器電阻Rf的阻值與電纜的波阻抗相等，而電動(dòng)機的波阻抗又遠大于Rf，則負載阻抗近似為Rf，這樣一來(lái)，電纜末端的負載阻抗與電纜的波阻抗相匹配，在電動(dòng)機端子上就不會(huì )產(chǎn)生電壓波的全反射，也就不會(huì )形成過(guò)電壓。
然而濾波器的電容該如何確定?原理上其電容值越大，對阻抗的匹配性就越好，過(guò)電壓就越小。但是，隨著(zhù)電容值的增大，電阻上的功耗就增加，因為在連續矩形脈沖電壓下，濾波器電阻的總功耗P可近似表示為P=3CfUo2fs（1)
式中fs為變頻器的載波頻率，對于普通型變頻器約為600Hz～5kHz，低噪音型變頻器約為8kHz～15kHz，而對于特殊的變頻器可達到20kHz。如取Uo為400V，Cf取為01μF，fs分別取為1kHz和10kHz，則根據式(1)求得電阻上的總功耗分別為48W和480W，隨著(zhù)電阻功耗的增大，濾波器元件的尺寸也相應增大，因此在小型變頻調速電動(dòng)機應用中，就不能不考慮功耗這一因素。
實(shí)際應用中，如果對濾波器不能進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設計，就不能達到滿(mǎn)意的匹配效果，這就是說(shuō)濾波器的失匹配程度將影響對電動(dòng)機端子上過(guò)電壓的抑制效果，本文在不同的電纜長(cháng)度(30m、45m和75m)下，電阻Rf分別取75Ω、100Ω、150Ω和350Ω，及電容Cf取為0.001μF～0.16μF，分別測量了電動(dòng)機端子上電壓的波形、上升沿過(guò)電壓幅值，以及上升時(shí)間的變化。
為了更進(jìn)一步地研究濾波器的電阻和電容與電動(dòng)機端子上電壓特性的關(guān)系，下面將分別測量不同濾波器的電阻和電容下，電動(dòng)機端子上電壓上升沿過(guò)電壓倍率及電壓上升時(shí)間。
2、3濾波器的參數與端子上過(guò)電壓的關(guān)系
按照上述方法，在電纜長(cháng)度分別為30m和75m時(shí)，在不同的濾波器電阻及電容下，測取電動(dòng)機端子上電壓上升沿的波形，從而得到電動(dòng)機端子上電壓上升沿過(guò)電壓倍率與濾波器電阻及電容的關(guān)系曲線(xiàn)，其中過(guò)電壓倍率為上升沿的電壓峰值Ump與穩態(tài)值Ums(即近似等于變頻器輸出電壓幅值)之比。
同樣，在電纜長(cháng)度分別為30m和75m時(shí)，在不同的濾波器電阻及電容下，測取電動(dòng)機端子上電壓上升沿的波形，從而得到電動(dòng)機端子上電壓上升沿時(shí)間與濾波器電阻及電容的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖4所示。
2、４濾波器的Rf和Cf的選擇
由上述試驗結果可知，濾波器電阻值Rf越小，電容值Cf越大，電纜長(cháng)度L越短，則電動(dòng)機端子上過(guò)電壓的倍率就越小。而且Rf越小，Cf越大，上升沿時(shí)間就越大，即電壓上升率(dv/dt)也就越小。如果電纜的長(cháng)度約為75m，取濾波器的電容值Cf為0.02μF，Rf近似取為100Ω，則電動(dòng)機端子上過(guò)電壓的倍率從濾波前的1.8減小到1.2，上升沿時(shí)間從濾波前的0.45μs增大到0.9μs，則電壓上升率減小到濾波前1/3，這有利于減弱過(guò)電壓對電動(dòng)機絕緣的破壞。
3、結語(yǔ)
用RC一階阻尼濾波器可以很好地抑制變頻調速電動(dòng)機端子上高頻振蕩的過(guò)電壓，濾波器的電阻值越小，電容值越大，則過(guò)電壓幅值就越小。當濾波器的電容大于一定值(如0.02μF)后，過(guò)電壓幅值隨濾波器電阻值的減小而減小，并在電阻值等于或小于電纜的波阻抗時(shí)趨于電源電壓值，且隨電纜長(cháng)度的增加而略有增加，而上升沿時(shí)間隨濾波器電阻值的減小而增加，并隨電纜長(cháng)度的增加而增加?？紤]到濾波器的功耗，電容值不宜很大，應低于0.1μF。
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