專利名稱：逆變器輸出可調式濾波器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電力工業(yè)和電力傳動中應用的逆變器輸出可調式濾波器。
背景技術：
在現代工業(yè)領域中，變頻器(逆變器)的使用越來越廣泛?，F代電力電子器件的飛速發(fā)展使高頻開關操作成為可能。2～20kHz的開關頻率，上升時間小于0.1μs的絕緣柵級晶體管器件已很普遍。在某些方面，高的開關頻率可顯著提高脈沖寬度調制逆變器的性能。但是，隨著開關頻率的提高和上升時間的減小，逆變器的負面效應愈加明顯。由于脈沖寬度調制逆變器存在很高的電壓變化率(＞7000V/μs)，如果電機與逆變器之間通過較長電纜進行連接，根據傳輸線行波理論，在電機端將產生反射電壓，使得電機端電壓及電纜沿線電壓近似加倍，嚴重時損壞電機絕緣或導致電纜擊穿。逆變器的上述負面效應已給工業(yè)生產帶來了巨大損失，嚴重威脅電氣傳動系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。因此如何抑制逆變器的負面效應是目前電氣工程師們的一項重要課題。在現有技術中，LR并聯型逆變器輸出濾波器和二階RLC低通逆變器輸出濾波器以及改進型二階RLC低通逆變器輸出濾波器、LC與RLC級聯型逆變器輸出濾波器，存在的共同問題是濾波器的參數是固定的。然而，在變頻調速驅動系統(tǒng)中，電機的工作狀態(tài)隨時發(fā)生變化。通常要經歷起動、加速、穩(wěn)定、減速、制動、改變轉向等過程。對應不同的過程，逆變器輸出電壓波形不同，對濾波器特性的要求也不同。固定參數濾波器難以適應這些變化。只有濾波器的參數隨傳動系統(tǒng)工作狀態(tài)的變化而變化，才能獲得理想的濾波效果和傳動效果。

發(fā)明內容
本實用新型主要由四部分組成，第一部分為電感可調式RLC濾波器；第二部分為電流有效值變送器；第三部分為數字信號處理器評估板(EVM)；第四部分為可控電壓源，第一部分電感可調式RLC濾波器的輸入與逆變器的輸出連接，第一部分電感可調式RLC濾波器的輸出經電流有效值變送器與感應電機連接，其中逆變器的三相電壓輸出端A1、B1、C1分別連接可調式RLC濾波器的電感進線端A2、B2、C2，電阻RA，RB、RC分別與電容CA、CB、CC串聯，構成三條RC支路，三條RC支路組成星形連接，星形連接的三個端點A4、B4、C4分別與三個可調電感的出線端A3、B3、C3相連，星形連接的中點D4與逆變器直流母線中點D1相連，濾波器的輸出端A4與電流有效值變送器的進線端SI相連，電流有效值變送器的出線端及濾波器的出線端B4和C4分別連接感應電機的輸入端A5、B5和C5，電流有效值變送器的輸出電壓加在數字信號處理器評估板的A/D轉換輸入端，數字信號處理器評估板的D/A輸出端連在控制電壓源的J4P端，數字信號處理器評估板的信號地與可控制電壓源的J4N端相連，可控制電壓源的輸出端J5P和J5N分別與可調電感直流繞組的J6P和J6N相連。
以下結合附圖詳細闡述本實用新型的原理和結構第一部分電感可調式RLC濾波器的原理和結構，電感可調式RLC濾波器由三個固定電阻RA、RB、RC和三個近似線性可調式電感LA、LB、LC及三個固定電容CA、CB、CC組成。電阻采用大功率無感電力電阻，電阻值為0.1～4Ω，電容采用無極性電力濾波電容，電容值為30～200μF?？烧{電感的基本結構及工作原理如下可調電感采用鐵心電感，其基本原理是根據鐵磁材料的非線性特性，對鐵磁材料施加直流勵磁，即設置磁路工作點，鐵心線圈的靜態(tài)磁導率和動態(tài)磁導率將隨工作點的變化而變化，從而交流繞組等效電感Lf也將隨直流繞組勵磁電流IDC的變化且變化。通過改變勵磁繞組電流IDC，便可實現對交流繞組等效電感Lf的連續(xù)調節(jié)。對可調電感的基本要求是(a)在工作點處的交流等效電感Lf近似為線性電感，即Lf與交流繞組電流近似無關；(b)在直流繞組中不產生交流感應電壓。圖3至圖6為可調式電感。交流繞組的結構是每個交流繞組由兩個分別繞在矩形鐵心上的繞組組成，每個鐵心上的繞組分成左右兩部分，它們的繞向和匝數完全相同，產生相同方向的磁通。兩個矩形鐵心上的繞組完全相同，采用反向串聯，將位于兩個右側鐵心柱的線圈端子串聯在一起，余下的兩個端子作為交流繞組引出端。具體是將P8與P9端連在一起，余下A2和A3；P10與P11端連在一起，余下B2和B3；P12與P13端連在一起，余下C2和C3。直流繞組的結構是每相交流繞組對應的兩個矩形鐵心1和2、3和4、5和6并放后再繞以直流繞組，每個直流繞組分成左右兩部分，繞向和匝數相同，采用正向串聯，三個直流繞組串聯后與可控制電壓源連接，如圖6所示。根據上述交、直流繞組的結構可知，由于交流繞組反向串聯，兩個鐵心中磁通方向及其變化率必然相反，因此在直流繞組中不會產生交流感電壓。又由于在直流工作點處，兩個矩形磁路的磁導率隨交流電流的變化而變化，變化方向(或等效電感的變化方向)相反，變化量的絕對值相等，因此串聯后的交流等效電感近似與交流電流無關。第二部分電流有效值變送器的原理和結構，電流有效值變送器基本功能將電機端電流有效值轉化為直流電壓信號，傳送給數字信號處理器評估板EVM，作為計算可調電感勵磁電流的變量之一?；窘M成霍爾電流傳感器U1LA50-P，變比1000∶1；有效值計算器U2；AD536；電流-電壓轉換電阻R1(1K/0.25W/可調)；電解電容C1(10μF)。原理圖見圖7。霍爾電流傳感器U1的正電源端N11接+15V電源，負電源端N12接-15V電源，其電源地端M-接電源公共端，U1的輸出端M+與地之間接可調電阻R1，用于將電流有效值信號轉換成電壓信號。電流有效值計算器U2的端子3接+15V電源，端子5接-15V電源，端子1和2接電源公共端，端子4接霍爾傳感器的輸出端M+，端子8輸出直流電壓，正比于第4端輸入電壓的有效值，端子8接輸出端J2P，輸出端接J2N接地。端子9和10短接，端子7懸空，端子3和6之間接電容C1，其中端子3接電容C1的正極。第三部分數字信號處理器評估板(EVM)的原理和結構，數字信號處理器評估板為現有技術，其主要芯片是美國德州儀器公司生產的數字信號處理器(DSP)。它是逆變器和可調式濾波器的中央控制單元，產生逆變器功率開關控制信號，并根據開關頻率、載波頻率和輸出電流有效值查表或計算得出可調電感的勵磁電流值。所用DSP的型號為TMS320F240，其主要技術參數是32位的中央算術邏輯單元(CALU)；指令周期50納秒；32位加法器；片內544字×16位的雙端口數據/程序RAM；16位×16位并行乘法器，32位乘積；16K字×16位的片內PROM或閃爍E2PROM；224K字×16位的最大尋址空間；12個比較/脈寬調制(PWM)通道；3個16位全比較器；28個獨立可編程的多路復用I/O引腳；雙10位模數轉換器(ADC)；串行通訊接口(SCI)。第四部分可控制電壓源的原理和結構，可控制電壓源的基本功能用來自數字信號處理器評估板的0～5V直流信號控制產生占空比連續(xù)可調的脈沖電壓，占空比與控制信號成線性關系。脈沖電壓加在可調電感直流繞組上，產生勵磁電流，電路如圖2所示，主要包括主電路、輔助電源電路、檢測控制電路、驅動電路和接口隔離電路，主電路是一個降壓斬波電路，由橋式整流塊DRB1、電解電容C1、場效應開關管Q1和二極管D14組成，輔助電源電路包括+12V電壓產生電路和+15V電壓產生電路，由電源變壓器T1、二極管整流橋DRB2、DRB3、二極管D8、電容C2、C3、三端穩(wěn)壓塊(U27812、U37815)組成，檢測控制電路以PWM控制芯片(U13524)為核心，配以輔助電阻和電容R1、C4、R12、C5、R10、R11、R13、R22、R21、R17、C6、R14、R18、C7，驅動電路由光電耦合器U7(PC817)，小功率三極管Q2(2N2907)，小功率MOS開關管Q3(IRFD123)，穩(wěn)壓管D13(3V)、電阻R15、R16、R24、R22、R21、R20組成。接口隔離電路由線性光耦U4(HP7802)，運算放大器U5、U6(LM324，U5和U6使用一片LM324中的兩個單元)，電阻R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9組成，電源的地有兩個，一個是非隔離地PG，一個是隔離地SG。主電路結構橋式整流塊DRB1的輸入端b1b、b1c接220V交流電源，輸出端b1a接濾波電容C1的正極性端，b1d接濾波電容C1的負極性端，輸出電壓經濾波后接至MOS管Q1的漏極Q1D，源極Q1S端接至二極管D14陰極D14K，D14的陽極D14A與PG地之間接電流采樣電阻R19，輸出端J5P連接到D14陰極D14K，輸出端J5N連接到D14的陽極D14A。變壓器T1的初級繞組AB接220V交流電，T1的次級繞組有兩個，CD繞組接至整流橋DRB2的輸入端b2b、b2c，整流橋的輸出端C2P、C2N間接濾波電容C2，C2的正極性端接在C2P上，三端穩(wěn)壓器U2的輸入端接在C2P上，公共端接至PG端，U2輸出12V電壓VCC，EF繞組接至整流橋DRB3上，整流橋DRB3的輸出端C3P，C3N間隔接濾波電容C3，3的正極性端接C3P。三端穩(wěn)壓器U3的輸入端接在C3P上，公共端接至SG端，C3N也接到SG上，U3輸出15V電壓VDD，電流檢測電路由電阻R18、R19、R10、R11 R18及電容C7組成。電阻R19串接在主回路的J5N和PG之間，用于將電流信號變成電壓信號。R18、C7組成低通濾波電路，接在J5N和PG之間，R18和C7的連接點接到PWM控制器U1(SG3524)的電流檢測端I+(4腳)，電流保護的閾值由R10、R11組成的電路設定，R10接在PWM控制器U1的VREF端(16腳)和I-端(5腳)之間。R11接在PWM控制器U1的I-和PG之間。電壓檢測電路由R17、R14、C6組成，R17、R14組成串聯分壓電路，接在D14K和PG之間，電容C6與R1并聯。R14、R17的共同端接到PWM控制器U1的IN-端(1腳)，控制電路以PWM控制器U1為中心，PWM控制器U1的電源端VIN(15腳)接到VCC，閉環(huán)補償電路由R1，C4相串聯組成，電容C4接到PWM控制器U1的COMP端(9腳)，R1接到PG，C5是振蕩電路的定時電容，接在PWM控制器U1的CT(7腳)和PG之間。R12是振蕩電路的定時電阻，接在U1的RT(6腳)和PG之間，U1的輸出是雙路并聯的，U1的COL(12，13腳)端經限流電阻接到電源VCC上，U1的EMIT端(11，14腳)接到光電耦合器U7(PC817)的1腳，隔離電路由光電耦合器U7(PC817)組成，光耦U7的1腳接U1(SG3524)的輸出端EMIT，U7(PC817)的2腳接SG，U7(PC817)的3腳接到PG，U7(PC817)的4腳經電阻R15接到Q3的基極Q3B，由Q3、Q2、R16、R24、R21、R22、R20、D13組成驅動電路，三極管Q3的集電極Q3C接到電源VDD上，R16連接在三極管Q3的集電極Q3C和三極管Q3的基極Q3B之間，三極管Q3的發(fā)射極Q3E通過電阻R24接到MOS管Q2的漏極Q2D。MOS管Q2的柵極Q2G和三極管Q3的基極Q3B相連，MOS管Q2的源極Q2S接到SG，三極管Q3的發(fā)射極Q3E通過電阻R22連接到MOS管Q1的柵極Q1G，在Q1的柵極Q1G和源極Q1S間接有抗干擾電阻R21，由電阻R20，穩(wěn)壓管D13串聯組成負偏壓電路，為MOS管Q1關斷時提供負偏壓，R20的另一端接到電源VDD，穩(wěn)壓管D13的陽極D13A接到公共端SG，穩(wěn)壓管D13的陰極D13K與MOS管Q1的源極Q1S相連，DSP接口隔離電路中U4為線性光耦，采用的型號是HP7820。U5，U6為運算放大器，采用LM324，使用其中的兩個單元。光耦U4的VIN+(2腳)端通過電阻R25與J4P相連，U4的VIN-(3腳)與J4N相連，接受DSP的控制電壓信號，光耦U4的輸出端VOUT-(6腳)經電阻R4與運放U6的反相輸入端(-)端(2腳)相連，R5接在運放U6的反相輸入端和輸出端(1腳)之間，R2，R3串聯在VCC和PG之間，R2，R3的連接點接到運放U6的同相輸入端(3腳)，運放U6的輸出經R6接到U5的同相輸入端(+)(5腳)，R8接在U5的反相輸入端(6腳)和輸出端(7腳)之間，R7連接在運放U5的反相輸入端和PG之間，運放U5的輸出端經R9接到PWM控制器U1的IN+端作為設定電壓?；驹碇麟娐肥墙祲菏綌夭娐?，首先將電網電壓經二極管全波整流和RC濾波，得到300V直流電壓。然后采用PWM高頻斬波技術，將其變換為幅值為300V，占空比可調的脈沖電壓，占空比調節(jié)范圍0～90％，該電壓加在電感上，由于電感的濾波作用，在電感上便得到直流勵磁電流，該電流與占空比成正比。輔助電源采用雙繞組變壓器產生兩組隔離的電源，然后采用三端穩(wěn)壓器產生兩組穩(wěn)定的電壓VCC和VDD，分別供給控制電路和驅動電路，檢測控制電路以SG3524為核心，SG3524的控制端接受來自EVM板的0～5V控制電壓(模擬量)，輸出電壓占空比與該控制電壓成正比關系，采用SG3524內部的誤差放大電路組成閉環(huán)控制電路，補償電路C4、R1提供閉環(huán)補償，使閉環(huán)工作穩(wěn)定。以I+、I-為輸入端的內部比較器用來提供過流保護。隔離驅動電路由于功率管是上位開關，所以需要隔離電路偏移電平。由三極管Q2、MOS管Q3、穩(wěn)壓管D13組成驅動電路，為功率管提供邊沿良好的驅動波形，同時提供負的關斷電壓，提高關斷速度，降低功率管的開關損耗，接口隔離電路采用高速線性光電耦合器U4(HP7820)，實現EVM板與可控電源隔離，減少相互干擾，U4的6腳輸出電壓與輸入電壓呈比例關系，再經過由U5、U6組成的偏壓電路偏移并放大電壓，從而產生U1要求的輸入控制電壓。傳統(tǒng)的逆變器輸出濾波器參數是固定的，在工作過程中不可改變。而濾波器的工作條件不是固定的。它的輸入電壓基波頻率、載波頻率、占空比、調制方式要隨著電機工作狀態(tài)的變化而變化，而電機在起動、加速、穩(wěn)定、減速、制動及反轉或輸出不同的機械功率時，電機的等效阻抗是不同的。一般濾波器的頻率特性受負載影響很大。另外，濾波器的存在電壓降落，因此影響負載電機的轉矩。負載電流越大，濾波器上的電壓降落也越大，在電機起動階段便是如此。本發(fā)明由于采用了可調試電感作為濾波器電感，使得濾波器特性可以隨著逆變器參數的設定及電機工作狀態(tài)的變化而自動變化，能夠使濾波器始終處于最佳狀態(tài)。因此，本發(fā)明對促進濾波器技術的進步，添補逆變器輸出濾波器技術空白，抑制逆變器負面效應具有十分重要的意義。本實用新型能夠自動適應逆變器設定參數和電機工作狀態(tài)的變化，在電機起動階段，產生較小的電壓降落，在電機穩(wěn)態(tài)階段，產生近似正弦的電壓輸出。濾波電感連續(xù)可調，能夠用于多種調制規(guī)律的逆變器，具有良好的動態(tài)相應特性。本實用新型可以明顯改善濾波效果和電機驅動效果，延長電機壽命，減小經濟損失，提高電氣傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。


圖1為本實用新型原理結構圖。
圖2為本實用新型可控電壓源原理結構圖。
圖3為本實用新型中電感LA，A相交流繞組原理結構圖。
圖4為本實用新型中電感LB，B相交流繞組原理結構圖。
圖5為本實用新型中電感LC，C相交流繞組原理結構圖。
圖6為本實用新型直流繞組連接示意圖。
圖7為本實用新型中有效值變送器電路原理圖。
實施例本實用新型系統(tǒng)參數額定交流電壓380V/50Hz；逆變器型號羅克韋爾1336PLUSII，電機型號Y100L2-4，電纜參數，四芯防水電纜型號JB6213-92，長度100m；電機參數型號Y100L2-4，額定功率3kW，額定電壓380V，額定電流6.8A，額定轉速1420rpm，額定頻率50Hz，絕緣等級B，重量38.5kg，防護等級IP44，聯結方式Y。濾波電容為無極性電容20μF±5％/630V，濾波電阻為無感電阻2Ω/300W。近似線性可調電感LA、LB、LC可調范圍為1～10mH，勵磁電流0～1A，交流繞組電流最大值為10A。本實用新型技術指標可調電感變化范圍1～10mH，可調電感勵磁電流0～1A，濾波器開路截至頻率300Hz～500Hz，最大基波電壓損耗＜6％，最大功率損耗＜1％，最大諧波含量＜5％，電纜允許長度＞3000m，可調電感勵磁電流響應時間＜20ms。本實用新型工作條件變頻器額定電壓380V/50Hz，逆變器容量1～100kVA，逆變器調制方式PWM調制。
權利要求1.一種逆變器輸出可調式濾波器，其特征在于由電感可調式RLC濾波器、電流有效值變送器；數字信號處理器評估板、可控電壓源組成，其中可調式RLC濾波器的電感進線端[A2]、[B2]、[C2]，與逆變器的三相電壓輸出端[A1]、[B1]、[C1]分別連接，電阻[RA]、[RB]、[RC]分別與電容[CA]、[CB]、[CC]串聯，構成三條RC支路，三條RC支路組成星形連接，星形連接的三個端點[A4]、[B4]、[C4]分別與三個可調電感的出線端[A3]、[B3]、[C3]相連，星形連接的中點[D4]與逆變器直流母線中點[D1]相連，濾波器的輸出端[A4]與電流有效值變送器的進線端[SI]相連，電流有效值變送器的出線端及濾波器的出線端[B4]和[C4]分別連接感應電機的輸入端[A5]、[B5]和[C5]，電流有效值變送器的輸出電壓加在數字信號處理器評估板的A/D轉換輸入端，數字信號處理器評估板的D/A輸出端連在控制電壓源的[J4P]端，數字信號處理器評估板的信號地與可控制電壓源的[J4N]端相連，可控制電壓源的輸出端[J5P]和[J5N]分別與可調電感直流繞組的[J6P]和[J6N]相連。
2.根據權利要求1所述的可調式濾波器，其特征在于電感可調式RLC濾波器中交流繞組[LA]由兩個分別繞在矩形鐵心[1]、[2]上的相同繞組組成，交流繞組[LB]由兩個分別繞在矩形鐵心[3]、[4]上的相同繞組組成，交流繞組[LC]由兩個分別繞在矩形鐵心[5]、[6]上的相同繞組組成，鐵心[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]上的繞組分成左右兩部分，它們的繞向和匝數完全相同，采用反向串聯；直流繞組是每相交流繞組對應的兩個矩形鐵心[1]和[2]、[3]和[4]、[5]和[6]并放后再繞以直流繞組，每個直流繞組分成左右兩部分，繞向和匝數相同，采用正向串聯，三個直流繞組串聯后與可控制電壓源連接。
3.根據權利要求1所述的可調式濾波器，其特征在于電流有效值變送器中的霍爾電流傳感器[U1]的正電源端[N11]接+15V電源，負電源端[N12]接-15V電源，電源地端[M-]接電源公共端，霍爾電流傳感器[U1]的輸出端[M+]與地之間接可調電阻[R1]，電流有效值計算器[U2]的端子[3]接+15V電源，端子[5]接-15V電源，端子[1]和[2]接電源公共端，端子[4]接霍爾電流傳感器的輸出端[M+]，端子[8]接數字信號處理器評估板A/D輸入端[J2P]，數字信號處理器評估板的地與電流有效值變送器的地連接，電流有效值變送器的端子[9]和[10]短接，端子[7]懸空，端子[3]和[6]之間接電容[C1]，其中端子[3]接電容[C1]的正極。
專利摘要本實用新型涉及一種逆變器輸出可調式濾波器,主要由電感可調式RLC濾波器、電流有效值變送器、數字信號處理器評估板(EVM)、可控電壓源組成,濾波器的輸入端與逆變器連接,濾波器的輸出端經電流有效值變送器與感應電極連接,數字信號處理器評估板接收電流有效值變送器的輸出信號并產生可控電壓源的控制信號,可控電壓源的輸出與電感直流繞組相連。本實用新型采用電感作為濾波器可調元件,原理簡單,能夠進行電氣調節(jié),響應速度快,易于實現閉環(huán)調節(jié),用于逆變器驅動交流感應電機的場合,例如風機、泵站、采油、冶金等領域。
文檔編號H02M7/42GK2513286SQ01265458
公開日2002年9月25日 申請日期2001年11月1日 優(yōu)先權日2001年11月1日
發(fā)明者徐殿國, 陳希有, 馬洪飛, 劉漢奎, 顏斌 申請人:哈爾濱工業(yè)大學