隔爆型变频调速一体机变频器输出侧的有源滤波器研究

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摘 要：通过matlab/simulink软件搭建仿真模型，验证了有源滤波器对隔爆型变频调速一体机变频器电源产生的谐波具有动态调节抑制的作用，可以显著的减小变频器电源谐波对电动机的影响。

关键词：变频电机；有源滤波器；谐波抑制

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.03.014

0 引言

随着交流调速技术的发展，异步电动机的结构简单，运行可靠，便于维护、价格低廉等优势越发明显。交流变频调速系统已被广泛应用在钢铁冶炼、矿山开采等领域，并且有较好的社会效益[1]。目前工程上大多采用在变频器电源与电动机之间加入传统的无源滤波器的方法滤除谐波来减小变频电源产生的谐波对电动机的影响，无源滤波器拥有成本较低、结构简单、运行可靠、维护方便等优点因此得到了广泛的应用，但其体积大，滤波效果与电源的运行情况密切相关，由于变频系统电源输出电压和频率不像电力系统中较为稳定，它是根据工况需求而改变的所以可能导致输出电源中的谐波也随着变化[2]。随着电力电子技术的进步，有源滤波器得到了迅速发展。有源滤波器通过产生与谐波大小相等方向相反的波形来抵消电源谐波，可动态滤除各次谐波。

1 隔爆型变频调速一体机

隔爆型变频调速一体机把变频器电源与电动机封装为一个整体，有效的避免了由于长导线给电动机带来的负面影响，拥有体积小、重量轻、电磁干扰小、系统电压高、使用成本低等优点，在矿井下主要用于采煤机牵引、刮板输送机、皮带机等[3]。但是变频器电源大多采用PWM调制技术，输出不同宽度的矩形波，由等面积定则等效成正弦波给电动机供电，如图1所示。变频器输出的PWM电压有很高的开关频率，脉冲上升时间很短，会影响电动机的绝缘性能[4]。而且矩形波中含有大量的谐波，这些谐波会对感应电动机的正常运行造成不小的干扰，比如导致损耗增加，使得效率和功率因数下降，温升增加，转矩脉动增大、震动噪声加大以及绕组绝缘易老化等现象发生，甚至引起系统的不稳定。谐波损耗可分为定、转子绕组的附加铜耗、铁耗、杂散损耗等[5]。可见减小和避免变频电源对电动机的负面影响具有重要的意义。

2 有源滤波器原理

有源滤波器的工作原理是用电流互感器采集直流线路上的电流，经A/D采样，将所得的电流信号进行谐波分离算法的处理，得到谐波参考信号，作为PWM的调制信号，与三角波相比，从而得到开关信号，用此开P信号去控制IGBT单相桥，根据PWM技术的原理，将上下桥臂的开关信号反接，就可得到与线上谐波信号大小相等、方向相反的谐波电流，将线上的谐波电流抵消掉。这是前馈控制部分。再将有源滤波器接入点后的线上电流的谐波分量反馈回来，作为调节器的输入，调整前馈控制的误差。

3 仿真验证

本文通过matlab/simulink软件进行隔爆型变频调速一体机变频器输出侧的有源滤波器仿真研究。变频电源部分由系统电源，整流变压器，整流电路，升压电路，逆变电路组成。负载电机参数为隔爆型变频调速一体机的实际参数。有源滤波器采用并联电压型有源滤波器。在变频电源与电动机之间并联接入有源滤波器，对接入之前和接入之后的电动机输入电压进行傅里叶谐波分析，得到的结果如图2 图3 所示。可以明显的看出有源滤波器对于各次谐波均有良好的抑制效果，其中个别较大的谐波超过了有源滤波器容量，可以用LC器件组成的无源滤波器滤除。

4 总结

有源滤波器能够动态的滤除隔爆型变频调速一体机变频器电源产生的谐波分量，但是由于有源滤波器本身的容量限制，可以与LC器件组成的无源滤波器配合来减小谐波分量对电动机的负面影响。

参考文献：

[1]宁亭，陶醒世，柳哲.变频调速异步电动机的设计策略[J].华中理工大学学报，1995，23（04）：12-15.

[2]肖湘宁，徐永海，刘昊，郑文兵，周仁华.混合型有源电力补偿技术与实验研究[J].电力系统自动化，2002：39-44.

[3]张振伟.矿用隔爆型变频一体机的设计和分析[D].威海：山东大学，2015.

[4]郭宇婕，黄立培，姜建国.变频器供电对异步电机绝缘的影响[J].大电机技术，2001：25-28.

[5]于江华.隔爆一体式变频电机谐波抑制技术研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2015.