濾波器對PWM變頻調速電動機端子上電壓波形的影響

22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說，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，而電動機的波阻抗又遠大于Rf，則負載阻抗近似為Rf，這樣一來，電纜末端的負載阻抗與電纜的波阻抗相匹配，在電動機端子上就不會產生電壓波的全反射，也就不會形成過電壓。

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，過電壓就越小。但是，隨著電容值的增大，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機應用中，就不能不考慮功耗這一因素。

實際應用中，如果對濾波器不能進行專門設計，就不能達到滿意的匹配效果，這就是說濾波器的失匹配程度將影響對電動機端子上過電壓的抑制效果，本文在不同的電纜長度(30m、45m和75m)下，電阻Rf分別取75Ω、100Ω、150Ω和350Ω，及電容Cf取為0001μF～016μF，分別測量了電動機端子上電壓的波形、上升沿過電壓幅值，以及上升時間的變化。

圖2所示的是電動機端子上相—相電壓上升沿的波形與濾波器電阻的關系，其中電纜長度為45m，濾波器電容分別為008μF、002μF、0005μF和0001μF。

從圖2中可以看出，當濾波器電阻近似等于或小于100Ω時，濾波器的電容對高頻振蕩的幅度及波形有顯著的影響，隨著濾波器電容的減小，高頻振蕩的幅值增大，濾波效果變差。而當濾波器電阻遠大于100Ω時，濾波器的電容對振蕩的幅值及波形的影響很小。

圖4電動機端子上電壓上升沿時間與濾波器電阻及電容的關系

圖3電動機端子上過電壓倍率(Ump／Ums)與濾波器電阻Rf及電容Cf的關系

為了更進一步地研究濾波器的電阻和電容與電動機端子上電壓特性的關系，下面將分別測量不同濾波器的電阻和電容下，電動機端子上電壓上升沿過電壓倍率及電壓上升時間。

23濾波器的參數與端子上過電壓的關系

按照上述方法，在電纜長度分別為30m和75m時，在不同的濾波器電阻及電容下，測取電動機端子上電壓上升沿的波形，從而得到電動機端子上電壓上升沿過電壓倍率與濾波器電阻及電容的關系曲線，如圖3所示，其中過電壓倍率為上升沿的電壓峰值Ump與穩態值Ums(即近似等于變頻器輸出電壓幅值)之比。

從圖3中可以清楚地看出：濾波器的電容值Cf越大，濾波器的電阻值Rf越小，則過電壓的倍率就越小；另外，電纜長度L越長，過電壓倍率也相應略增大。這樣看來，當電纜長度為75m時，如Cf大于002μF，Rf小于150Ω，過電壓的倍率將不超過12。24濾波器的參數與端子上電壓上升沿時間的關系

同樣，在電纜長度分別為30m和75m時，在不同的濾波器電阻及電容下，測取電動機端子上電壓上升沿的波形，從而得到電動機端子上電壓上升沿時間與濾波器電阻及電容的關系曲線，如圖4所示。

從圖4中可以清楚地看出：濾波器的電阻值Rf越小，上升沿時間tr就越大，且隨濾波器的電容值Cf的增大而增加，并當Cf超過001μF后，tr趨于飽和；當Rf大于150Ω時，上升沿時間與電容值幾乎無關；另外，電纜長度L越長，上升沿時間也相應增大。這樣看來，當電纜長度為75m時，如Cf大于001μF，Rf為100Ω，則上升沿時間超過09μs，它是濾波前(約045μs)的2倍。

25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，電纜長度L越短，則電動機端子上過電壓的倍率就越小。而且Rf越小，Cf越大，上升沿時間就越大，即電壓上升率(dv/dt)也就越小。如果電纜的長度約為75m，取濾波器的電容值Cf為002μF，Rf近似取為100Ω，則電動機端子上過電壓的倍率從濾波前的18減小到12，上升沿時間從濾波前的045μs增大到09μs，則電壓上升率減小到濾波前1/3，這有利于減弱過電壓對電動機絕緣的破壞。

3結語

用RC一階阻尼濾波器可以很好地抑制變頻調速電動機端子上高頻振蕩的過電壓，濾波器的電阻值越小，電容值越大，則過電壓幅值就越小。當濾波器的電容大于一定值(如002μF)后，過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趨于電源電壓值，且隨電纜長度的增加而略有增加，而上升沿時間隨濾波器電阻值的減小而增加，并隨電纜長度的增加而增加。考慮到濾波器的功耗，電容值不宜很大，應低于01μF。