專利名稱：濾波網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種濾波網(wǎng)絡(luò)，該濾波網(wǎng)絡(luò)用于防止由于傳輸線效應(yīng)和/或電動機輸入處的阻抗不連續(xù)性引起的過電壓，該電動機利用電纜被連接到電動機驅(qū)動器和/或連接在電動機驅(qū)動器與配電網(wǎng)之間。
諸如可調(diào)速電動機驅(qū)動器(ASD)那樣的變頻器現(xiàn)今被廣泛地用于控制諸如感應(yīng)電動機或永磁電動機那樣的電動機。在大多數(shù)情況下，脈寬調(diào)制(PWM)被用來調(diào)整所期望的電動機操作為了產(chǎn)生一系列不同寬度的脈沖，由諸如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)那樣的功率半導(dǎo)體對直流(DC)電壓進行斬波，該脈沖的平均值與所需電壓對應(yīng)。因而功率半導(dǎo)體在這種電動機驅(qū)動器中被用作接通/斷開(ON/OFF)開關(guān)。
實際上，這些開關(guān)都不是理想的它們在接通(ON)狀態(tài)期間有功率損耗而且不能以無限大的速度從斷開(OFF)狀態(tài)切換到接通(ON)狀態(tài)并返回，因此導(dǎo)致了開關(guān)損耗。為了降低此開關(guān)損耗，通常的解決方案是使用更快速切換的功率半導(dǎo)體?，F(xiàn)今的快速功率半導(dǎo)體一般以大約3000V/μs的速度切換驅(qū)動器的輸出電壓。在560V的直流電壓的一般情況下，這樣的高的切換速度導(dǎo)致兩個離散電壓值之間的切換時間為200ns或更少。
在

圖1中示例了ASD的輸出電壓的一般波形。在此實例中，可以表達為電壓導(dǎo)數(shù)du/dt的值的電壓切換速度大致為3000V/μs。
盡管高速切換允許開關(guān)損耗的降低，但是當考慮包含電動機驅(qū)動器、電纜和電動機的完整安裝時存在一些缺陷。
首先，高速電壓切換通過驅(qū)使電容電流流入電動機與電纜的絕緣體和支座來施壓給該電動機與電纜IcapacHlve=C·dudt,]]>其中C是這些絕緣體和/或支座的對地電容。電容電流還貢獻于此安裝的電磁干擾，因此產(chǎn)生針對相鄰設(shè)備的電磁擾動。
其次，并且有時更重要地，高速切換可在將電動機連接到驅(qū)動器的電纜的電動機端上引起大量過電壓振蕩，尤其是在長電纜的情況下引起過電壓振蕩，這可導(dǎo)致電動機損壞和/或電纜的絕緣擊穿。
這些過電壓振蕩的原因就是所謂的傳輸線效應(yīng)在長電纜中，不能認為功率切換期間的電壓在整個電纜上為常數(shù)。必須認為該電壓是需要一些時間從電纜的輸入傳輸?shù)诫娎|的輸出的信號，一般以0.8*光速的速度來傳輸。在這種情況下，傳輸線內(nèi)的阻抗不連續(xù)性將引起電壓反射，該電壓反射在它們加上原始傳輸?shù)牟ㄐ螘r引起過電壓。
可以粗略估計，如果電纜內(nèi)電壓的傳輸時間大于電纜的輸入處的電壓的上升時間的一半，那么電纜的電動機端處的電壓就可以振蕩高達電纜的輸入處的電壓值的兩倍。例如，以電動機驅(qū)動器的輸出處的一般上升時間200ns，24米長的電纜的電動機端處的過電壓值大致為直流傳輸線電壓值的兩倍2*560V＝1120V。其中直流電壓可為1100V的690V主網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的過電壓問題甚至更嚴重，可能會引起2200V的過電壓振蕩，同時在很多應(yīng)用中，最大可允許電動機電壓通常只有1500V。
圖2例如表示在利用200米長的電纜連接到具有圖1中所示輸出電壓的ASD的電動機的輸入處測量的電壓。由于傳輸線效應(yīng)以及電纜與電動機之間的阻抗不連續(xù)性導(dǎo)致的過電壓振蕩在此實例中達到最大電壓1000V。
避免電動機端處的過電壓的解決方案將會保持驅(qū)動器的輸出電壓的切換速度du/dt低于臨界值，該臨界值取決于整個系統(tǒng)的特性。根據(jù)以上給出的估計可以例如進行計算，利用驅(qū)動器與電動機之間的200米長的電纜以及560V的直流傳輸線電壓，大量過電壓已經(jīng)以336V/μs的du/dt值出現(xiàn)。為了避免系統(tǒng)操作期間的過電壓，電動機驅(qū)動器的功率半導(dǎo)體的切換速度因此應(yīng)低于該值。然而該解決方案有存在大量切換損耗的缺陷。此外，并不總是可能和/或期望設(shè)置驅(qū)動器的元件特性。
在專利申請CH1724/02中，已經(jīng)提出了通過使用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)或通常在電動機的終端處包含電阻、電容和/或齊納二極管的鉗位電路來防止或消除過電壓。盡管這種電動機端處的終端網(wǎng)絡(luò)很好地適于很多應(yīng)用，但是它們通常損耗非常大，因此釋放大量熱量并難于在電動機附近安裝。
因此在本發(fā)明的設(shè)計內(nèi)已注意到，對防止和/或減少過電壓最吸引人的解決方案是使用所謂的du/dt濾波器，該du/dt濾波器通常置于電動機驅(qū)動器的輸出與電纜的輸入之間用于降低電纜中的電壓切換速度du/dt。
這種du/dt濾波器以其最簡單的形式由一個連接在每個驅(qū)動器的輸出相位與相應(yīng)的電纜相位之間的亦稱為扼流圈的電感器。為了調(diào)整du/dt值并因此穩(wěn)定例如具有不同電纜長度的濾波器的操作，通常在電纜側(cè)增加電容，該電容與扼流圈的輸出彼此連接或者連接到地或中線。這種du/dt濾波器有效地減小du/dt值，并同時減少對電磁干擾負責的電流。
在圖3中示例了一般現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器的示意圖。出于簡單，僅顯示了可能的兩個、三個或更多相位中的一個。驅(qū)動器被連接到扼流圈10的左側(cè)，同時電纜將被連接到扼流圈10的右側(cè)、電容20和扼流圈10的連接點。該濾波器因此是LC低通濾波器。
盡管在大多數(shù)應(yīng)用中，這種僅由扼流圈構(gòu)成的或由扼流圈與電容構(gòu)成的簡單濾波器能夠使du/dt值進入合適的范圍，以便避免由于反射引起的過電壓，但是它們還是存在重要的缺陷扼流圈本身在其輸出處產(chǎn)生電壓過沖，然后沿著電纜將電壓過沖傳送至電動機。
可以兩種不同的方式來解釋扼流圈10的電壓過沖1)當電動機驅(qū)動器的輸出電壓快速切換時，du/dt濾波器的輸出電壓首先保持不變，然后相對緩慢地朝新的驅(qū)動器輸出電壓值變化，因此放慢了電壓切換速度。因此在該切換時間期間扼流圈10兩端存在電壓差，而且根據(jù)基本電路原理，電感器兩端的電壓根據(jù)以下公式構(gòu)成到扼流圈的電流I=UtL,]]>其中I是電流，U是在扼流圈10上的電壓差，t是時間以及L是扼流圈10的電感。另一方面，當濾波器的輸出電壓電平最終達到所期望的輸出電壓電平(即驅(qū)動器的輸出電壓)時，在扼流圈內(nèi)已經(jīng)構(gòu)成了相當大的電流，換言之，在電感器10中存儲了可以通過以下公式計算的能量E=12LI2,]]>
其中E是能量，L是扼流圈10的電感以及I是電流。電感器10中的電流(即其中存儲的能量)不能即刻消失。因此該電流不得不繼續(xù)從電動機驅(qū)動器通過扼流圈10流向濾波器的輸出電容20和/或電纜的電容。于是該電流將通過給輸出電容進行充電而引起電壓過沖。當濾波器的輸出電壓達到驅(qū)動器的輸出電壓時，在與上述時間周期期間的電壓差方向相反的方向上在扼流圈10兩端逐漸構(gòu)成電壓。該電壓差使電感器的電流逐漸減少至零。因此“重置”電感器10。
2)還可以通過在低于LC濾波器的固有共振頻率下操作du/dt濾波器的事實來解釋電壓過沖。換言之，該驅(qū)動器的切換頻率低于LC濾波器的諧振頻率Fres=12πLC.]]>對此問題的可替換的解決方案可以是將濾波器的諧振頻率設(shè)置為恰好低于電動機驅(qū)動器的切換頻率。在此情況下，電壓波形將沒有時間經(jīng)歷所有的極限條件，該極限條件包括最大電壓過沖點。這種解決方案為大家所熟知并稱為“正弦濾波器”，因為它還使脈寬調(diào)制的電壓平滑為正弦波形。然而，針對很多應(yīng)用，正弦濾波器太貴也太大，而且由于其濾波更甚于du/dt濾波器，對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)也產(chǎn)生負面影響。
圖4中示出當圖3的du/dt濾波器被連接到具有圖1的輸出的驅(qū)動器時該du/dt濾波器的輸出電壓的一般波形。可以看出du/dt值已降低，因為電壓上升時間比圖1或圖2的電壓上升時間更長，但是由于扼流圈10本身的電壓過沖，峰值電壓電平與圖2的峰值電壓電平是可比的，圖2示例了無任何濾波器的情況。在圖5中示例電纜的電動機端處的扼流圈10的所測量的電壓過沖。
在大多數(shù)情況下，可以由所謂的阻尼電阻來降低這個電壓過沖。在圖6和10中示例了使用阻尼電阻的現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器的實例。出于簡單，這些示意圖僅示例了濾波器的可能的兩個、三個或更多相位中的一個相位。
在圖6中所示的現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器中，阻尼電阻31與扼流圈11并聯(lián)。因為電阻31損耗了由輸出電容41代表的否則將對電纜進行充電的一部分能量，而且因為阻尼電阻31在輸出電容41放電且扼流圈的輸出電壓變得高于其輸入電壓時從扼流圈的輸出引導(dǎo)電流流回驅(qū)動器的輸出，所以減少了濾波器的輸出處的電壓過沖。然而，當電阻31引導(dǎo)放電電流時，該能量被轉(zhuǎn)化為損耗，而該損耗在利用200米長的電纜以及以大約為10kHz的切換頻率操作這種衰減的du/dt濾波器時通常達到數(shù)百瓦。因此盡管與扼流圈11并聯(lián)的阻尼電阻31有效地削弱了濾波器的輸出處的電壓過沖，但是在電纜通過電阻31實際進行充電和放電時，電阻31中的功率耗散(或損耗)還是過度的。
此外，當并聯(lián)的兩個阻抗導(dǎo)致較低的總阻抗值(R‖R＝R)時，為了獲取針對所期望的du/dt降低的足夠的總阻抗，必須增加電感器的阻抗值，因此暗示使用通常更大和更貴的扼流圈。
這種現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器的另一個缺陷在于它們的特性嚴重依賴于電纜的電容41的值，該電纜的電容41的值反過來依賴于電纜的長度。換言之，需要根據(jù)計劃的電纜長度和/或根據(jù)電纜的電容41的值來設(shè)計現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器，即需要選擇它們的部件的特性。圖7、8和9例如示出與具有不同長度的電纜一起使用的現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器的輸出電壓的波形。在這些實例中，根據(jù)圖6的示意圖的du/dt濾波器與100μH的扼流圈11和100歐姆的阻尼電阻31的典型值一起使用。
在圖7中，電纜的電容41的值是1nF，其與短的電力電纜的一般的電容相對應(yīng)。輸出電壓的波形非常符合要求，其中du/dt值大約為3750V/μs而最大電壓過沖不高于650V。圖8中所示波形示例利用具有10nF的電容41的電纜連接相同的驅(qū)動器和電動機時的輸出電壓，該輸出電壓與中等長度電纜相對應(yīng)。du/dt值大約為518V/μs而最大電壓過沖上升至800V。圖9示出當使用具有100nF的電容41的長電纜時的濾波器的輸出電壓的波形。所以du/dt值大約為87V/μs而最大電壓過沖上升至1500V。以上實例示出被設(shè)計來與某一電纜(例如短電纜)一起運行的現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器當與中等長度電纜或長電纜一起使用時將會引起非常不同的阻尼結(jié)果。
在圖10的實例中，阻尼電阻32與濾波器的輸出電容22串聯(lián)。因此它并沒有“旁路”扼流圈12并以類似于輸出充電元件的方式進行連接。濾波器的輸出電容22因此越過阻尼電阻32向地釋放其能量。然而，這種解決方案在電纜的地-電容和/或相位-到-相位電容42具有與濾波器的電容22的電容相當?shù)姆鹊膽?yīng)用中并沒有效果，尤其是對于長屏蔽(MCCMK)電纜的情況，因為它并沒有衰減與圖10中箭頭所示的濾波器的扼流圈12與電纜的電容42之間的能量交換相關(guān)的振蕩。
可替換的方法是通過使用例如連接在扼流圈13的輸出和驅(qū)動器的直流傳輸線之間的二極管53或針對電能63的外部存儲器來對濾波器的輸出處的電壓過沖進行鉗位(圖11)。除了二極管53的低可靠性和高成本，該解決方案的主要缺陷在于與電壓鉗位相關(guān)的高幅度和瞬時電流，其為極端的電壓限制。換言之，盡管在濾波器的輸出處的電壓波形似乎是可接受的，但是電流可具有快速變化和引起高電磁干擾的振蕩。該解決方案的一個特定問題是在降低電壓切換速度du/dt期間在濾波器的扼流圈13中所存儲的能量產(chǎn)生所謂的飛輪電流(free wheeling current)，該飛輪電流從直流傳輸線63流經(jīng)扼流圈13和二極管53并返回到直流傳輸線63。該飛輪電流可例如破壞由電動機驅(qū)動器所完成的電動機估計測量并以及在二極管53內(nèi)產(chǎn)生相當大的能量損耗。此外，這樣的鉗位電路是接通/斷開(0N/OFF)類型的開關(guān)二極管的阻抗理論上在零與無限大之間切換。這些阻抗值既不提供與電纜的阻抗匹配又不提供與電動機的阻抗匹配。
本發(fā)明的目的是提出一種用于降低電壓切換速度du/dt的濾波網(wǎng)絡(luò)，該電壓切換速度不產(chǎn)生過電壓或產(chǎn)生非常少量的過電壓。
本發(fā)明的另一個目的是提出一種用于降低電壓切換速度du/dt的濾波網(wǎng)絡(luò)，其功率損耗比現(xiàn)有技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)的功率損耗要低。
本發(fā)明的又另一個目的是提出一種具有低復(fù)雜性的小型濾波網(wǎng)絡(luò)，用于降低電壓切換速度du/dt。
本發(fā)明的又另一個目的是提出一種用于降低電壓切換速度du/dt的濾波網(wǎng)絡(luò)，其具有低電纜長度依賴性。
本發(fā)明的又另一個目的是提出一種用于降低電壓切換速度du/dt的低成本濾波網(wǎng)絡(luò)。
通過具有相應(yīng)獨立權(quán)利要求的特性的濾波網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)這些目的，并通過從屬權(quán)利要求進一步給出有利的實施例。
特別是，通過一種用于降低電動機驅(qū)動器與電動機之間和/或配電網(wǎng)與電動機驅(qū)動器之間的電壓切換速度的濾波網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)以上目的，該濾波網(wǎng)絡(luò)針對每個電相位包括自阻尼電感器，該自阻尼電感器具有由幅度和相位確定的復(fù)數(shù)阻抗，該復(fù)數(shù)阻抗的相位在電動機的電流的頻率范圍內(nèi)被包含在80與90度之間且在過電壓振蕩的頻率范圍內(nèi)被包含在0與60度之間。
特別是，通過一種用于降低電動機驅(qū)動器與電動機之間和/或配電網(wǎng)與電動機驅(qū)動器之間的電壓切換速度和/或過電壓振蕩的濾波網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)以上目的，該濾波網(wǎng)絡(luò)針對每個電相位包括自阻尼電感器，該自阻尼電感器具有由幅度和相位確定的復(fù)數(shù)阻抗，其中過電壓振蕩的頻率范圍內(nèi)的復(fù)數(shù)阻抗的相位的最高值和最低值之間的差值小于10度。
特別是，通過一種用于降低電動機驅(qū)動器與電動機之間的電壓切換速度的匹配網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)以上目的，該匹配網(wǎng)絡(luò)針對每個相位包括自阻尼電感器，該自阻尼電感器具有包括電感性部分和電阻性部分的復(fù)數(shù)阻抗，其中在電動機的電流的頻率范圍內(nèi)電感性部分的幅度大于電阻性部分的幅度，而且在過電壓振蕩的頻率范圍內(nèi)電阻性部分的幅度大于電感性部分的幅度。
使用本發(fā)明的濾波網(wǎng)絡(luò)，可能制造產(chǎn)生低電壓過沖和低損耗的低成本的小型du/dt濾波器。
借助以下由附圖示例的描述來更好地理解本發(fā)明，其中前面所討論的圖1示例了一般的ASD驅(qū)動器的輸出電壓波形，前面所討論的圖2是使用從驅(qū)動器到電動機的長電纜的電動機的輸入處的所測量的電壓，前面所討論的圖3是現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器，前面所討論的圖4是現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器的一般非衰減的輸出電壓，前面所討論的圖5是使用現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器的電動機的輸入處的所測量的電壓，前面所討論的圖6是具有與扼流圈并聯(lián)的阻尼電阻的現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器，前面所討論的圖7示出與短電纜一起使用的現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器的輸出電壓的波形，前面所討論的圖8示出與中等電纜一起使用的現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器的輸出電壓的波形，前面所討論的圖9示出與長電纜一起使用的現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器的輸出電壓的波形，前面所討論的圖10是現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器，其具有與電容串聯(lián)的阻尼電阻，前面所討論的圖11是現(xiàn)有技術(shù)的鉗位電路，圖12是在過電壓振蕩的頻率范圍內(nèi)的本發(fā)明的濾波網(wǎng)絡(luò)的示意圖，圖13示例了根據(jù)優(yōu)選實施例的濾波網(wǎng)絡(luò)的阻抗的所測量的幅度和相位，圖14是當在驅(qū)動器與電動機之間使用根據(jù)本發(fā)明的濾波網(wǎng)絡(luò)時電動機的輸入處的所測量的電壓，圖15示例了根據(jù)變型的實施例的濾波網(wǎng)絡(luò)的阻抗的所測量的幅度和相位，圖16示出與短電纜一起使用的根據(jù)變型的實施例的濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓的波形，圖17示出與長電纜一起使用的根據(jù)變型的實施例的濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓的波形，圖18是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的濾波網(wǎng)絡(luò)的示意圖。
根據(jù)本發(fā)明，為了削弱實質(zhì)上由扼流圈14組成的du/dt濾波器產(chǎn)生的過電壓振蕩，阻尼電阻34的最佳位置是如圖12的示意圖中所示與扼流圈14串聯(lián)。在這種結(jié)構(gòu)中，電阻34的阻抗與電感器14的阻抗都有助于降低電壓切換速度du/dt。此外，全部由電阻34有效地削弱與濾波器的扼流圈14和濾波器的電容24之間的能量交換相關(guān)的振蕩和/或與濾波器的扼流圈14和未示出的電纜的電容之間的能量交換相關(guān)的振蕩。
電阻34和電感器14上分配在圖12中示意性示出的本發(fā)明的濾波網(wǎng)絡(luò)兩端的電壓差。將耗散與出現(xiàn)在電阻34兩端的電壓部分相關(guān)的能量使其成為損耗并因此衰減該能量，同時只有存在于電感器14兩端的那部分電壓將會增加電感器14中的電流并產(chǎn)生電壓過沖。由于與電感器14串聯(lián)的電阻34的位置，因此相比于現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器中類似條件下產(chǎn)生的電壓過沖，該傳感器的輸出處的電壓過沖將得到顯著減小。
然而實際上，因為例如通常具有50Hz的頻率和12-300A rms的幅度的亦稱為負載電流的電動機的電流將會在阻尼電阻中產(chǎn)生不可接受的損耗，所以不能直接將傳統(tǒng)的電阻與扼流圈14串聯(lián)。根據(jù)本發(fā)明，與扼流圈14直接串聯(lián)的阻尼電阻34被認為僅僅是依據(jù)過電壓振蕩，因為例如其值依賴于頻率。更確切地說，在通常位于0與100Hz之間的電動機的電流的頻率范圍內(nèi)，在特定的應(yīng)用中該頻率范圍高達2kHz，電阻34的阻抗應(yīng)該是可以忽略的，其接近零。因此根據(jù)本發(fā)明的濾波網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該完全是電感性的。然而，為了衰減該振蕩，在過電壓振蕩的頻率附近，該濾波網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有相當大的或甚至優(yōu)選地占主導(dǎo)的電阻性特性。在這種結(jié)構(gòu)中，濾波網(wǎng)絡(luò)的電感性和電阻性部分都有助于衰減效應(yīng)，而且利用具有較低電感值的扼流圈來獲得所期望的輸出電壓，因此與利用現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器來獲得相同效果所要求的扼流圈的尺寸和成本相比，該現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器例如具有并聯(lián)的阻尼電阻，可以利用尺寸更小且成本更低的扼流圈來獲得所要求的輸出電壓。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，優(yōu)選地將濾波網(wǎng)絡(luò)的依賴于頻率的電阻性特性集成到該扼流圈本身中，導(dǎo)致可被稱為自阻尼扼流圈或自阻尼電感器的單個部件。
在以下表格中總結(jié)了用于自阻尼扼流圈的優(yōu)選的依賴于頻率的阻抗說明。本發(fā)明的自阻尼扼流圈在電動機的電流的頻率范圍中是電感性的，即它的阻抗的相位接近90度；但是它在過電壓振蕩的頻率范圍內(nèi)變成電阻性的，即它的阻抗的相位小于60度。
將進一步討論本發(fā)明的自阻尼扼流圈的實際實現(xiàn)。
每條電導(dǎo)線都具有某些與其中電流所感應(yīng)的磁場相關(guān)的電感。為了增加電感或減小體積，通常將導(dǎo)線繞成多匝，因此形成螺線管或空心扼流圈。為了進一步增加電感或進一步減小尺寸，可以在由卷繞的導(dǎo)線組成的線圈的磁性耦合中插入某些磁性材料、即具有大于1的相對磁導(dǎo)率的材料。根據(jù)本發(fā)明，磁芯材料和線圈的特性都可用來調(diào)整自阻尼電感器的依賴于頻率的阻抗特性。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，電動機驅(qū)動器的輸出與電纜的輸入之間插入的本發(fā)明的濾波網(wǎng)絡(luò)針對每個相位包括自阻尼電感器，由導(dǎo)電材料(例如銅線)的線圈組成的該自阻尼電感器在其中需要進行衰減的頻率處具有電阻性特性，該導(dǎo)電材料圍繞由磁性材料構(gòu)成的磁芯卷繞，以致通過磁芯材料的依賴于頻率的磁導(dǎo)率特性來提供自阻尼電感器的依賴于頻率的電阻性特性。
任何磁芯材料的磁導(dǎo)率都可以表達為由實數(shù)部分與虛數(shù)部分組成的復(fù)數(shù)值。在某一頻率范圍內(nèi)的這些部分的相對幅度確定使用該磁芯材料的電感性部件是否是電感性的、電阻性的或是在此頻率范圍處兩者的結(jié)合。在現(xiàn)有技術(shù)的電感器中，為了在最小化扼流圈內(nèi)的能量損耗的同時獲得所期望的電感，選擇磁芯材料以致該電感器具有工作頻率范圍內(nèi)的占主導(dǎo)的電感性特性。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，為了獲得所期望的依賴于頻率的磁導(dǎo)率特性，例如通過改變材料的成分、用于其制造的壓力和/或燒結(jié)溫度來修改用于構(gòu)成自阻尼電感器的磁芯材料的磁導(dǎo)率。
已經(jīng)例如利用自阻尼電感器進行了實驗，該自阻尼電感器由圍繞著環(huán)形磁芯卷繞的銅線線圈組成，以800Mpa的壓力利用來自Hgans(瑞典)的鐵粉Somaloy500并使其在500攝氏度下燒結(jié)30分鐘來制造該環(huán)形磁芯。在圖13中表示了該自阻尼電感器的依賴于頻率的阻抗特性，其中將阻抗的幅度Z繪制在上面的曲線中，同時將阻抗的相位繪制在下面的曲線中。接近或等于90度的相位表明了本發(fā)明的自阻尼電感器的電感性特性，同時接近或等于0度的相位表明了本發(fā)明的自阻尼電感器的電阻性特性。在這兩個極值之間，當相位在0度與90度之間變化時，該自阻尼電感器的阻抗是電感性與電阻性阻抗的組合。這種阻抗稱為復(fù)數(shù)阻抗且電感性部分和電阻性部分分別稱為虛數(shù)部分和實數(shù)部分。虛數(shù)(或電感性)部分確定扼流圈內(nèi)所存儲的能量，而實數(shù)(或電阻性)部分確定能量損耗(或衰減)。
作為實例，圖13的曲線示例了這樣一種情況，其中自阻尼電感器的阻抗在10kHz時具有大致為64度的相位，因此該部分主要是電感性的，但是它也具有相當多的電阻性部分。在本發(fā)明的涉及內(nèi)所進行的實驗已經(jīng)顯示了在任何頻率范圍內(nèi)可以獲得符合要求的過電壓振蕩的衰減，其中自阻尼扼流圈的相位被包含在0與60度之間。
在圖13中所示的實例中，自阻尼電感器的阻抗隨著頻率增加變得越來越為電阻性的在100kHz時，相位大致為38度，即電阻性部分已經(jīng)占主導(dǎo)地位；而在頻率為1Mhz時，相位大約為7度，其對應(yīng)幾乎完全為電阻性部分的相位。因此為此實驗所制造的材料具有用于構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的自阻尼電感器所需要的依賴于頻率的磁導(dǎo)率特性并具有以下表格中所描述的依賴于頻率的特性。
圖14表示當在電動機的驅(qū)動器的輸出與電纜的輸入之間插入濾波網(wǎng)絡(luò)時在電動機的輸入處測量的電壓u，該濾波網(wǎng)絡(luò)由一個本發(fā)明的具有圖13中所示針對每個相位的特性的自阻尼電感器。在該實例中，將切換速度du/dt降低到所期望的值264V/μs，并在其沒有超過656V時非常有效地衰減該過沖電壓。
可以通過阻抗匹配來解釋這種有效的操作。應(yīng)該注意到，磁芯材料的阻抗特性與電動機的一般依賴于頻率的阻抗非常相似。因此提出例如圖13中所示的自阻尼扼流圈的阻抗使驅(qū)動器的阻抗與電動機的阻抗在所有頻率下都匹配。
根據(jù)變型的實施例，選擇本發(fā)明的自阻尼扼流圈的依賴于頻率的電阻性特性來或多或少地與寬頻范圍內(nèi)的頻率成比例地(至少超出十倍、優(yōu)選地超出二十倍或更多)增加，以代替上述實施例所示的劇烈增加。電感性部分還與該頻率成比例地增加，扼流圈的復(fù)數(shù)阻抗的相位在這整個寬頻范圍上或多或少地保持恒定，如圖15中所示，其中扼流圈的復(fù)數(shù)阻抗的相位或多或少恒定并例如在從100kHz至5MHz的頻率范圍內(nèi)保持低于60度。根據(jù)該變型的實施例，在此寬頻范圍內(nèi)的相位的最高值與相位的最低值之間的差值因此小于10度、優(yōu)選為小于5度。因為濾波網(wǎng)絡(luò)的阻尼特性與其阻抗的相位的值成比例，所以該阻尼以及因此的最大電壓過沖在整個寬頻范圍上或多或少地恒定。如下所示，然而該衰減信號的du/dt值隨頻率變化。
具有這樣一種特性的自阻尼扼流圈允許構(gòu)成具有非常低的電纜依賴性的濾波網(wǎng)絡(luò)，因此避免了如圖7到9中所示的現(xiàn)有技術(shù)的du/dt濾波器的缺點。在圖16中繪制了這種濾波網(wǎng)絡(luò)在與短電纜一起使用時的一個相位的輸出電壓，在圖17中繪制了該濾波網(wǎng)絡(luò)在與長電纜一起使用時的一個相位的輸出電壓。從這些實例中可以看出，盡管在長電纜的情況下du/dt值較低，但是在兩種情況下的電壓過沖是相等的。本發(fā)明的濾波網(wǎng)絡(luò)因此提供用于在寬頻范圍上的優(yōu)化的過電壓衰減，因此也使損耗最小化。
用于現(xiàn)有技術(shù)的電感器的磁芯的磁性材料還具有由它們的依賴于頻率的阻抗特性所提供的某些阻尼屬性，但是該阻尼大部分不足以用于構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的自阻尼電感器和濾波網(wǎng)絡(luò)。與現(xiàn)有技術(shù)的制造電感器的實踐相比，應(yīng)該從衰減的觀點出發(fā)優(yōu)化為了制造根據(jù)本發(fā)明的濾波網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計和處理的磁性部件。部件設(shè)計例如包括材料選擇、幾何結(jié)構(gòu)選擇、空隙形狀和尺寸選擇、線圈設(shè)計等。
在另一個變型的實施例中，在電動機驅(qū)動器的輸出與電纜的輸入之間插入的根據(jù)本發(fā)明的濾波網(wǎng)絡(luò)針對每個相位包括自阻尼電感器，由導(dǎo)電材料(例如銅線)的線圈組成的該自阻尼電感器其中需要進行衰減的頻率處具有電阻型特性，該導(dǎo)電材料圍繞由磁性材料構(gòu)成的磁芯卷繞，以致由該線圈的依賴于頻率的電阻、即由其交流電阻來提供自阻尼電感器的依賴于頻率的電阻性特性。
線圈的交流電阻是在諸如變壓器和扼流圈這樣的高頻磁性部件的設(shè)計中的已知參數(shù)，而且通常為了降低損耗而最小化該交流電阻并因此獲得最大功效。線圈的交流電阻是集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和邊緣效應(yīng)組合的結(jié)果。通過對線圈的材料、厚度、外形和/或成分的適當選取，可以將所期望的阻抗特性設(shè)計到該扼流圈中。
集膚效應(yīng)與電流在高頻時只在導(dǎo)線表面流動的現(xiàn)象相關(guān)。因此該導(dǎo)線的電阻在電流使用該導(dǎo)線區(qū)域的總是更小部分時隨頻率增大。鄰近效應(yīng)與臨近導(dǎo)線中流動的電流進一步增強集膚效應(yīng)的現(xiàn)象相關(guān)。通常在箔式線圈中注意到邊緣效應(yīng)，其中電流在高頻時涌入折疊邊緣，因此多少增加了交流電阻。
還例如使用多層0.5mm厚的銅箔所卷繞的空心扼流圈進行實驗以實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的自阻尼電感器。這種自阻尼電感器在一般的電動機頻率處主要是電感性的，因為其電阻僅與低線圈的直流電阻相等。然而，由于以上所解釋的高頻線圈損耗機制(即集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和邊緣效應(yīng))，所以隨著增加的頻率，電感器的阻抗的電阻性部分增大至100到1000倍，這主要取決于材料與幾何結(jié)構(gòu)的細節(jié)以及取決于精確的幾何結(jié)構(gòu)。當高頻磁場無法貫穿該線圈時，同時輕微地降低阻抗的電感性部分，因此該阻抗的相位就變得更電阻性。
在圖18中示例了具有交流電阻的線圈的原理示意圖。該示意圖說明直流電流(0Hz)流經(jīng)整個導(dǎo)線區(qū)域，因為并聯(lián)的所有電阻35導(dǎo)致小的總電阻，而較高頻率處的電流查看電感器65的阻抗而且將僅僅流經(jīng)某些第一電阻35，其與較小的導(dǎo)線的區(qū)域?qū)е螺^高電阻的事實相對應(yīng)。該示出多個離散元件15、35、65的示意圖僅僅是示例性的，實際上這種現(xiàn)象當然發(fā)生在為本發(fā)明的自阻尼電感器的同一個電氣元件中。電容45示例該電纜。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到有可能產(chǎn)生結(jié)合上述阻尼機制的濾波網(wǎng)絡(luò)使用如上首先描述的磁芯材料和線圈的交流電阻。
還有可能并甚至期望通過串聯(lián)其它電氣部件和/或電路和/或并聯(lián)根據(jù)本發(fā)明的自阻尼電感器來完成本發(fā)明的濾波網(wǎng)絡(luò)。例如可以為了適配和/或協(xié)調(diào)的目的使濾波網(wǎng)絡(luò)的每個相位都完整，其中在本發(fā)明的自阻尼電感器的輸出與例如地、另一個相位或中線之間連接電容。根據(jù)本發(fā)明，由于本發(fā)明的自阻尼電感器本身的電阻特性，所以可以有效地削弱根據(jù)自阻尼電感器與濾波器的電容之間交換的能量而引起的振蕩。
優(yōu)選地打算在諸如頻繁用于標準電動機驅(qū)動器中的三相系統(tǒng)這樣的多相系統(tǒng)中使用根據(jù)本發(fā)明的自阻尼扼流圈。因此可以設(shè)計使其具有不同相位之間的磁性耦合，例如，其中不同相位的自阻尼扼流圈共享相同的磁芯。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，構(gòu)成自阻尼電感器作為集成的電感性部件，其具有上表中所示的依賴于頻率的阻抗特性。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，該自阻尼電感器還可以包括兩個離散元件，例如與離散電阻串聯(lián)的離散電感器，該離散電阻具有依賴于頻率的電阻性屬性，然后該電路的總阻抗具有所期望的依賴于頻率的阻抗。
本領(lǐng)域技術(shù)人員還認識到，根據(jù)本發(fā)明的濾波網(wǎng)絡(luò)還可以構(gòu)成為獨立的濾波器或被集成到電動機驅(qū)動器本身中、電纜中或電動機中。
還可以用這種方式設(shè)計根據(jù)本發(fā)明的自阻尼電感器的磁芯，以致其具有通過傳熱到散熱或封裝、通過與空氣的自然對流或強制對流、通過導(dǎo)熱管或液體冷卻增強的冷卻能力。
針對最優(yōu)性能，如果期望還可以把其他從現(xiàn)有技術(shù)中已知的阻尼網(wǎng)絡(luò)與根據(jù)本發(fā)明的濾波網(wǎng)絡(luò)一起使用。
在以上實例中，本發(fā)明的濾波網(wǎng)絡(luò)被用于衰減驅(qū)動器與電動機之間的過電壓。然而在本發(fā)明設(shè)計內(nèi)進行的實驗顯示了，還可以執(zhí)行本發(fā)明的濾波網(wǎng)絡(luò)用于衰減驅(qū)動器與配電網(wǎng)之間的電壓過沖，其中通常利用電力電纜連接到該配電網(wǎng)。操作時，電動機驅(qū)動器還在其網(wǎng)絡(luò)側(cè)產(chǎn)生過電壓形式的干擾。為了避免連接到同一網(wǎng)絡(luò)的其他電器設(shè)備受到干擾或甚至被損壞，需要對這些電壓過沖進行至少部分過濾。實驗已導(dǎo)致令人驚訝的結(jié)果，那就是當根據(jù)本發(fā)明的濾波網(wǎng)絡(luò)被連接在電動機驅(qū)動器與配電網(wǎng)之間時，有效地衰減或甚至消除這些電壓過沖。
權(quán)利要求
1.濾波網(wǎng)絡(luò)，其用于降低電動機驅(qū)動器與電動機之間和/或配電網(wǎng)與電動機驅(qū)動器之間的電壓切換速度，該濾波網(wǎng)絡(luò)針對每個電相位包括自阻尼電感器，該自阻尼電感器具有由幅度(Z)和相位()確定的復(fù)數(shù)阻抗，其特征在于所述復(fù)數(shù)阻抗的所述相位()在電動機的電流的頻率范圍中被包含在80與90度之間，而且所述復(fù)數(shù)阻抗的所述相位()在過電壓振蕩的頻率范圍中被包含在0與60度之間。
2.匹配網(wǎng)絡(luò)，其用于降低電動機驅(qū)動器與電動機之間的電壓切換速度，該匹配網(wǎng)絡(luò)針對每個相位包括自阻尼電感器，該自阻尼電感器具有包含電感性部分和電阻性部分的復(fù)數(shù)阻抗，其特征在于在電動機的電流的頻率范圍中電感性部分的幅度大于電阻性部分的幅度，而且在過電壓振蕩的頻率范圍中電阻性部分的幅度大于電感性部分的幅度。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，所述電動機的電流的頻率范圍包含從0Hz到2kHz的頻率。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，所述電動機的電流的頻率范圍包含從0Hz到100Hz的頻率。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，所述過電壓振蕩的頻率范圍包含從100kHz到5MHz的頻率。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，所述自阻尼電感器被構(gòu)成為一個離散的部件。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，所述自阻尼電感器包括至少一個導(dǎo)電材料的線圈。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，所述自阻尼電感器進一步包括與所述至少一個線圈耦合的由磁性材料制成的磁芯。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，由所述磁性材料的依賴于頻率的磁導(dǎo)率特性引起所述復(fù)數(shù)阻抗的特性。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9之一所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，由所述至少一個線圈的交流電阻引起所述復(fù)數(shù)阻抗的特性。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，所述自阻尼電感器包括離散電感器和離散的具有依賴于頻率的電阻性特性的電阻。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，所述電感器被連接到所述自阻尼電感器的驅(qū)動器端，所述電阻被連接到所述自阻尼電感器的電動機或網(wǎng)絡(luò)端。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，進一步包括所述自阻尼電感器的電動機或網(wǎng)絡(luò)端處的電容(24)。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，其用于三相電氣系統(tǒng)。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的濾波網(wǎng)絡(luò)包括三個自阻尼電感器。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，磁性耦合所述三個自阻尼電感器。
17.濾波網(wǎng)絡(luò)，用于降低電動機驅(qū)動器與電動機之間和/或配電網(wǎng)與電動機驅(qū)動器之間的電壓切換速度和/或過電壓振蕩，該濾波網(wǎng)絡(luò)針對每個電相位包括自阻尼電感器，該自阻尼電感器具有由幅度(Z)和相位()確定的復(fù)數(shù)阻抗，其特征在于過電壓振蕩的頻率范圍中的所述復(fù)數(shù)阻抗的所述相位()的最高值與在所述過電壓振蕩的頻率范圍中的所述復(fù)數(shù)阻抗的所述相位()的最低值之間的差值小于10度。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，所述差值小于5度。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18之一所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，所述過電壓振蕩的頻率范圍包含從100kHz到5MHz的頻率。
20.根據(jù)權(quán)利要求17至19之一所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，所述復(fù)數(shù)阻抗的所述相位在所述過電壓振蕩的頻率范圍內(nèi)小于60度。
21.根據(jù)權(quán)利要求17至20之一所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，所述自阻尼電感器被構(gòu)成為一個離散的部件。
22.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，所述自阻尼電感器包括至少一個導(dǎo)電材料的線圈。
23.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，所述自阻尼電感器進一步包括與所述至少一個線圈耦合的由磁性材料制成的磁芯。
24.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，由所述磁性材料的依賴于頻率的磁導(dǎo)率特性引起所述復(fù)數(shù)阻抗的特性。
25.根據(jù)權(quán)利要求22至24之一所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，由所述至少一個線圈的交流電阻引起所述復(fù)數(shù)阻抗的特性。
26.根據(jù)權(quán)利要求17至20之一所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，所述自阻尼電感器包括離散的電感器和離散的具有依賴于頻率的電阻性特性的電阻。
27.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，所述電感器被連接到所述自阻尼電感器的驅(qū)動器端，所述電阻被連接到所述自阻尼電感器的電動機或網(wǎng)絡(luò)端。
28.根據(jù)權(quán)利要求17至27之一所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，進一步包括所述自阻尼電感器的電動機或網(wǎng)絡(luò)端處的電容(24)。
29.根據(jù)權(quán)利要求17至28之一所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，其用于三相電氣系統(tǒng)。
30.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，其包括三個自阻尼電感器。
31.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的濾波網(wǎng)絡(luò)，磁性耦合所述三個自阻尼電感器。
32.電氣系統(tǒng)，其包括電動機驅(qū)動器、至少一個根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的濾波網(wǎng)絡(luò)、至少一條電纜和電動機。
33.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的電氣系統(tǒng)，所述至少一個濾波網(wǎng)絡(luò)被連接在所述電動機驅(qū)動器與所述電纜之間和/或所述電動機驅(qū)動器和配電網(wǎng)之間。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的電氣系統(tǒng)，所述濾波網(wǎng)絡(luò)被集成在所述至少一條電纜內(nèi)。
35.根據(jù)權(quán)利要求32至34之一所述的電氣系統(tǒng)，其是三相電氣系統(tǒng)。
全文摘要
用于降低電動機驅(qū)動器與電動機之間和/或配電網(wǎng)與電動機驅(qū)動器之間的電壓切換速度的濾波網(wǎng)絡(luò)針對每個電相位包括自阻尼電感器，該自阻尼電感器具有由幅度(Z)和相位(Φ)確定的復(fù)數(shù)阻抗，所述復(fù)數(shù)阻抗的所述相位(Φ)在電動機的電流的頻率范圍內(nèi)被包含在80與90度之間，而且所述復(fù)數(shù)阻抗的所述相位(Φ)在過電壓振蕩的頻率范圍內(nèi)小于60度。使用本發(fā)明的濾波網(wǎng)絡(luò)，可能制造產(chǎn)生低電壓過沖和低損耗的低成本和小型的du/dt濾波器。
文檔編號H02H9/00GK1736024SQ03825835
公開日2006年2月15日 申請日期2003年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月20日
發(fā)明者M·M·西波拉, P·庫爾-布赫 申請人:沙夫納Emv股份公司