高压变频器滤波特性研究

摘 要：本文首先对变频器的发展状况进行了介绍，预测了它的发展趋势。接着考虑到变频器中滤波器这一设备对电压变化起到了非常重要的作用，所以对其原理进行了阐述和分析。最后对滤波器的输入输出特性进行了研究，使用公式和对应的电路图结合，给出了变频器的动态滤波特性。

关键词：高压变频器；滤波原理；滤波特性

中图分类号：TM464

1 引言

电力电子与芯片技术的发展促进了电气转动的技术革命，交流调速取代直流调速，数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。变频器由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。近年迅速发展的新型功率器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等等，由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。具有谐波小，功率因数也有较大程度的改善。

高压变频器属投资类设备，主要用于节能和改善生产工艺。是电机节能系统中的关键装置，在节能降耗中的作用极为明显，已经成为节能减排的重要利器。

其本身的发展将促进相关联的电力电子、自动化控制、软件开发、电机、风机、铸造、冶炼、机械制造业等产业的发展，同时也将带动下游应用领域包括石油化工、市政供水、冶金钢铁、电力能源等相关联产业的技术进步与控制工艺水平的提高，提高生产工艺水平，降低生产成本，促进整个工业产业链的协调发展。

因安装高压变频器后能达成平均节电30%的效果，国内高压变频器应用比率目前还不到30%，发达国家已达70%。在低碳经济环境下，以及节能减排政策的出台，高压变频器迎来一个发展的黄金时期。近几年市场出现了爆发性增长，平均年增长率超过40%。高压变频器作为电机节能的主要电力电子装置，市场空间大，发展前景十分广阔。

总体而言，国内高压变频器的现状是：（1）技术标准还有待规范；（2）相配套的产业很不发达；（3）生产工艺落后，勉强满足变频器产品的技术要求，但是价格低廉。（4）变频器中使用的功率半导体，驱动电路，光纤等关键器件完全依赖进口。（5）与发达国家的技术差距在缩小，具有自主知识产权的产品正应用在国民经济中；（6）已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等功能的变频器。

同时，应用高压变频器也存在一些副作用；变频器的使用会给电力系统带来一些谐波污染，高次谐波及残留的共模电压会引起有功无功损耗，电机热损耗增加、电机噪声和振动增大、产生漏电流引起保护动作，使轴承烧蚀、使电机端产生过电压引起绝缘老化，从而影响电动机的寿命等。一个好的滤波器结构设计显得非常重要。

2 滤波系统及其原理分析

2.1 滤波器结构及特点。电流源型变频器可以依靠自身拓扑结构等特点，解决长期困扰的共模电压这一难题。而在变频器的使用过程中还存在谐波和无功这两现象，在此可以通过使用滤波器来抑制谐波和补偿无功损耗。滤波器具有不同频率的滤波功能，所以对不同阻抗和相位角变化表现出不同影响，图1所示为有源滤波器系统的示意图。使用傅里叶变换法来对变频器的脉冲调制电流进行分析，可以从空间矢量调制的频率中提取出基波和谐波。在设计滤波器时要同时考虑输入输出特性，并要注重失真和位移两大因素。最后也可以对设计的滤波装置进行仿真演算，验证结果的可靠性。

滤波器在使用过程中常见的三种响应模式，包括巴特沃斯响应（也称为最平坦响应）、贝塞尔响应、切贝雪夫响应。“巴特沃斯响应”带通滤波器在响应特性上比较舒缓，而“切比雪夫响应”带通滤波器的衰减曲线非常陡峭。因此在选择滤波器时要考虑在电网系统中哪种效应是可以允许的，哪种的稳定性最好。不过“切比雪夫响应”滤波器对设备的响应不敏感，但它结合了供选择性和驻波模式两大优势，所以现在使用最广泛的就是“切比雪夫响应”滤波器。

2.2 滤波器的原理简介。滤波器的作用就是在电路系统中对信号进行处理，通常由有源和无源两种滤波器。它的重要作用主要就是将有用的信号无损耗的输出，同时滤除无用的信号。滤波器装置通常具有输入与输出两个端口，来进行信号的传输。使用选通滤波器可以将一群符合波形转变为某一指定频率的正弦波。

滤波电路简单来说包括电感器和电容器两部分，这样可以有效分割交流和直流电。最简单的滤波电路称为L型滤波系统，只由一个电容器和一个电感器组成，所有复杂滤波器，都可以分解为几个简单的L型滤波。在一般的电路系统中更多的是使用L型及π型两种滤波器。如果滤波器对某一频率的选择性较强，但对此截止频率以外的其他频率过滤不大，则将其称作m常数滤波器。这里提到的截止频率，就是指滤波器的谐振频率。例如像带阻滤波器等很多滤波器都是m型滤波器，在此m其实为一变量，可表示为截止频率与衰减频率的比值。m值的大小反应了滤波器阻抗和K常数的关系。m的取值一般在0～1之间，当取值靠近0时，截止频率波峰变得更为尖锐，但倍频的衰减率会随之降低。共振臂的改变可以确定需要的截至频率，Q值的变动也反应了其衰减率。当m取0.6时，滤波效果最佳。

3 变频器的滤波特性

3.1 无变压器电流型高压变频器的输入滤波器相移功率因数。假设整流器的整体输入功率因数为PF（overall）：它可以表示为：PF（overall）=PF（dist）*PF（displace），其中PF（dist）表示为失真功率因子，而PF（displace）代表相移功率。在脉宽调制的整流器设备中采用滤波器作为输入端，虽然提升了失真功率因数，但降低了相移功率。所以就PF（overall）而言，应该调节好最佳的PF（displace）。

要提高三相整流电路的有功功率，就是要保持输入端的电压和电流取相同的数值，进而使得电流的开关序列和电容电压同步变化。如图2所示，其中阻尼和谐波不予考虑，经过整流器的矢量调制后形成一相空间向量图3。

然后分析电压和电流的相位角关系，再计算按以下公式计算tanθ：

公式中， 代表基波电压； 则是整流器的输入端中的基波电流； 是滤波感抗； 表示的是滤波容抗。

从上面的关系式可以得到θ与I1的关系，经过推算可以得出随着I1的增大，相位角θ逐渐降低。根据PF（displace）来计算PF（claim），再推得 。

再推导整流器电路可以获得的最大无功功率：

最后计算得到电容C的取值范围的最大不超过该计算公式：

这里，额定相电压用Uac表示，基波频率用f1表示。

3.2 逆变器中滤波器的输出特性研究。逆变器中使用的电压可以是二相或者三相的，但其输出电压形状一般是周期性的矩形脉冲。在此假设矩形脉冲的幅度为E，其输出是两个阶跃信号的差值，参考以下公式：

在此，脉冲宽度用 表示。在分析滤波器的响应特性时，要使用迭加原理。为滤波器在 作用下形成的经过s域计算的电路图如图4所示。

这里， 的拉普拉斯变换表示为 。电路的初始状态表示如下：

，有：

当f2（t）作用在滤波器的输出端时，形成的电流为：

在此，

而在f（t）=f1（t）-f2（t）作用下，滤波器的输出电流为：

从公式中可以看出，要提高相电流 ，就应当减小 的值。也就是说增大 ，减小 。电动机在运行过程中会产生纹波，所以应该提高 的值。

4 结论

当前，我国很多工业领域，如：电力、钢铁、石油、石化、化工、水泥建材、矿山、市政等行业都大量使用到了高压变频器传动装置，而且从长期的发展来看，经济和社会效益较突出。随着新型高耐压、大功率电力电子元件的出现，也对变频器的控制方法、精度和性能改善都提出了更高的要求。在此，本文研究的高压变频器中滤波器这一装置的输入输出特性，并介绍了滤波原理，这对于以后电路中的滤波特性改善提供了有意义的参考价值。

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作者简介：徐迅（1961.1-），男，籍贯：浙江省天台县，学历：大专，职称：工程师，主要研究方向：电机控制。

作者单位：卧龙电气集团杭州研究院有限公司，杭州 310052