专利名称：逆变器输出可调式滤波器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电力工业和电力传动中应用的逆变器输出可调式滤波器。
背景技术：
在现代工业领域中，变频器(逆变器)的使用越来越广泛。现代电力电子器件的飞速发展使高频开关操作成为可能。2～20kHz的开关频率，上升时间小于0.1μs的绝缘栅级晶体管器件已很普遍。在某些方面，高的开关频率可显著提高脉冲宽度调制逆变器的性能。但是，随着开关频率的提高和上升时间的减小，逆变器的负面效应愈加明显。由于脉冲宽度调制逆变器存在很高的电压变化率(＞7000V/μs)，如果电机与逆变器之间通过较长电缆进行连接，根据传输线行波理论，在电机端将产生反射电压，使得电机端电压及电缆沿线电压近似加倍，严重时损坏电机绝缘或导致电缆击穿。逆变器的上述负面效应已给工业生产带来了巨大损失，严重威胁电气传动系统的安全稳定性。因此如何抑制逆变器的负面效应是目前电气工程师们的一项重要课题。在现有技术中，LR并联型逆变器输出滤波器和二阶RLC低通逆变器输出滤波器以及改进型二阶RLC低通逆变器输出滤波器、LC与RLC级联型逆变器输出滤波器，存在的共同问题是滤波器的参数是固定的。然而，在变频调速驱动系统中，电机的工作状态随时发生变化。通常要经历起动、加速、稳定、减速、制动、改变转向等过程。对应不同的过程，逆变器输出电压波形不同，对滤波器特性的要求也不同。固定参数滤波器难以适应这些变化。只有滤波器的参数随传动系统工作状态的变化而变化，才能获得理想的滤波效果和传动效果。
发明内容
本实用新型主要由四部分组成，第一部分为电感可调式RLC滤波器；第二部分为电流有效值变送器；第三部分为数字信号处理器评估板(EVM)；第四部分为可控电压源，第一部分电感可调式RLC滤波器的输入与逆变器的输出连接，第一部分电感可调式RLC滤波器的输出经电流有效值变送器与感应电机连接，其中逆变器的三相电压输出端A1、B1、C1分别连接可调式RLC滤波器的电感进线端A2、B2、C2，电阻RA，RB、RC分别与电容CA、CB、CC串联，构成三条RC支路，三条RC支路组成星形连接，星形连接的三个端点A4、B4、C4分别与三个可调电感的出线端A3、B3、C3相连，星形连接的中点D4与逆变器直流母线中点D1相连，滤波器的输出端A4与电流有效值变送器的进线端SI相连，电流有效值变送器的出线端及滤波器的出线端B4和C4分别连接感应电机的输入端A5、B5和C5，电流有效值变送器的输出电压加在数字信号处理器评估板的A/D转换输入端，数字信号处理器评估板的D/A输出端连在控制电压源的J4P端，数字信号处理器评估板的信号地与可控制电压源的J4N端相连，可控制电压源的输出端J5P和J5N分别与可调电感直流绕组的J6P和J6N相连。
以下结合附图详细阐述本实用新型的原理和结构第一部分电感可调式RLC滤波器的原理和结构，电感可调式RLC滤波器由三个固定电阻RA、RB、RC和三个近似线性可调式电感LA、LB、LC及三个固定电容CA、CB、CC组成。电阻采用大功率无感电力电阻，电阻值为0.1～4Ω，电容采用无极性电力滤波电容，电容值为30～200μF。可调电感的基本结构及工作原理如下可调电感采用铁心电感，其基本原理是根据铁磁材料的非线性特性，对铁磁材料施加直流励磁，即设置磁路工作点，铁心线圈的静态磁导率和动态磁导率将随工作点的变化而变化，从而交流绕组等效电感Lf也将随直流绕组励磁电流IDC的变化且变化。通过改变励磁绕组电流IDC，便可实现对交流绕组等效电感Lf的连续调节。对可调电感的基本要求是(a)在工作点处的交流等效电感Lf近似为线性电感，即Lf与交流绕组电流近似无关；(b)在直流绕组中不产生交流感应电压。图3至图6为可调式电感。交流绕组的结构是每个交流绕组由两个分别绕在矩形铁心上的绕组组成，每个铁心上的绕组分成左右两部分，它们的绕向和匝数完全相同，产生相同方向的磁通。两个矩形铁心上的绕组完全相同，采用反向串联，将位于两个右侧铁心柱的线圈端子串联在一起，余下的两个端子作为交流绕组引出端。具体是将P8与P9端连在一起，余下A2和A3；P10与P11端连在一起，余下B2和B3；P12与P13端连在一起，余下C2和C3。直流绕组的结构是每相交流绕组对应的两个矩形铁心1和2、3和4、5和6并放后再绕以直流绕组，每个直流绕组分成左右两部分，绕向和匝数相同，采用正向串联，三个直流绕组串联后与可控制电压源连接，如图6所示。根据上述交、直流绕组的结构可知，由于交流绕组反向串联，两个铁心中磁通方向及其变化率必然相反，因此在直流绕组中不会产生交流感电压。又由于在直流工作点处，两个矩形磁路的磁导率随交流电流的变化而变化，变化方向(或等效电感的变化方向)相反，变化量的绝对值相等，因此串联后的交流等效电感近似与交流电流无关。第二部分电流有效值变送器的原理和结构，电流有效值变送器基本功能将电机端电流有效值转化为直流电压信号，传送给数字信号处理器评估板EVM，作为计算可调电感励磁电流的变量之一。基本组成霍尔电流传感器U1LA50-P，变比1000∶1；有效值计算器U2；AD536；电流-电压转换电阻R1(1K/0.25W/可调)；电解电容C1(10μF)。原理图见图7。霍尔电流传感器U1的正电源端N11接+15V电源，负电源端N12接-15V电源，其电源地端M-接电源公共端，U1的输出端M+与地之间接可调电阻R1，用于将电流有效值信号转换成电压信号。电流有效值计算器U2的端子3接+15V电源，端子5接-15V电源，端子1和2接电源公共端，端子4接霍尔传感器的输出端M+，端子8输出直流电压，正比于第4端输入电压的有效值，端子8接输出端J2P，输出端接J2N接地。端子9和10短接，端子7悬空，端子3和6之间接电容C1，其中端子3接电容C1的正极。第三部分数字信号处理器评估板(EVM)的原理和结构，数字信号处理器评估板为现有技术，其主要芯片是美国德州仪器公司生产的数字信号处理器(DSP)。它是逆变器和可调式滤波器的中央控制单元，产生逆变器功率开关控制信号，并根据开关频率、载波频率和输出电流有效值查表或计算得出可调电感的励磁电流值。所用DSP的型号为TMS320F240，其主要技术参数是32位的中央算术逻辑单元(CALU)；指令周期50纳秒；32位加法器；片内544字×16位的双端口数据/程序RAM；16位×16位并行乘法器，32位乘积；16K字×16位的片内PROM或闪烁E2PROM；224K字×16位的最大寻址空间；12个比较/脉宽调制(PWM)通道；3个16位全比较器；28个独立可编程的多路复用I/O引脚；双10位模数转换器(ADC)；串行通讯接口(SCI)。第四部分可控制电压源的原理和结构，可控制电压源的基本功能用来自数字信号处理器评估板的0～5V直流信号控制产生占空比连续可调的脉冲电压，占空比与控制信号成线性关系。脉冲电压加在可调电感直流绕组上，产生励磁电流，电路如图2所示，主要包括主电路、辅助电源电路、检测控制电路、驱动电路和接口隔离电路，主电路是一个降压斩波电路，由桥式整流块DRB1、电解电容C1、场效应开关管Q1和二极管D14组成，辅助电源电路包括+12V电压产生电路和+15V电压产生电路，由电源变压器T1、二极管整流桥DRB2、DRB3、二极管D8、电容C2、C3、三端稳压块(U27812、U37815)组成，检测控制电路以PWM控制芯片(U13524)为核心，配以辅助电阻和电容R1、C4、R12、C5、R10、R11、R13、R22、R21、R17、C6、R14、R18、C7，驱动电路由光电耦合器U7(PC817)，小功率三极管Q2(2N2907)，小功率MOS开关管Q3(IRFD123)，稳压管D13(3V)、电阻R15、R16、R24、R22、R21、R20组成。接口隔离电路由线性光耦U4(HP7802)，运算放大器U5、U6(LM324，U5和U6使用一片LM324中的两个单元)，电阻R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9组成，电源的地有两个，一个是非隔离地PG，一个是隔离地SG。主电路结构桥式整流块DRB1的输入端b1b、b1c接220V交流电源，输出端b1a接滤波电容C1的正极性端，b1d接滤波电容C1的负极性端，输出电压经滤波后接至MOS管Q1的漏极Q1D，源极Q1S端接至二极管D14阴极D14K，D14的阳极D14A与PG地之间接电流采样电阻R19，输出端J5P连接到D14阴极D14K，输出端J5N连接到D14的阳极D14A。变压器T1的初级绕组AB接220V交流电，T1的次级绕组有两个，CD绕组接至整流桥DRB2的输入端b2b、b2c，整流桥的输出端C2P、C2N间接滤波电容C2，C2的正极性端接在C2P上，三端稳压器U2的输入端接在C2P上，公共端接至PG端，U2输出12V电压VCC，EF绕组接至整流桥DRB3上，整流桥DRB3的输出端C3P，C3N间隔接滤波电容C3，3的正极性端接C3P。三端稳压器U3的输入端接在C3P上，公共端接至SG端，C3N也接到SG上，U3输出15V电压VDD，电流检测电路由电阻R18、R19、R10、R11 R18及电容C7组成。电阻R19串接在主回路的J5N和PG之间，用于将电流信号变成电压信号。R18、C7组成低通滤波电路，接在J5N和PG之间，R18和C7的连接点接到PWM控制器U1(SG3524)的电流检测端I+(4脚)，电流保护的阈值由R10、R11组成的电路设定，R10接在PWM控制器U1的VREF端(16脚)和I-端(5脚)之间。R11接在PWM控制器U1的I-和PG之间。电压检测电路由R17、R14、C6组成，R17、R14组成串联分压电路，接在D14K和PG之间，电容C6与R1并联。R14、R17的共同端接到PWM控制器U1的IN-端(1脚)，控制电路以PWM控制器U1为中心，PWM控制器U1的电源端VIN(15脚)接到VCC，闭环补偿电路由R1，C4相串联组成，电容C4接到PWM控制器U1的COMP端(9脚)，R1接到PG，C5是振荡电路的定时电容，接在PWM控制器U1的CT(7脚)和PG之间。R12是振荡电路的定时电阻，接在U1的RT(6脚)和PG之间，U1的输出是双路并联的，U1的COL(12，13脚)端经限流电阻接到电源VCC上，U1的EMIT端(11，14脚)接到光电耦合器U7(PC817)的1脚，隔离电路由光电耦合器U7(PC817)组成，光耦U7的1脚接U1(SG3524)的输出端EMIT，U7(PC817)的2脚接SG，U7(PC817)的3脚接到PG，U7(PC817)的4脚经电阻R15接到Q3的基极Q3B，由Q3、Q2、R16、R24、R21、R22、R20、D13组成驱动电路，三极管Q3的集电极Q3C接到电源VDD上，R16连接在三极管Q3的集电极Q3C和三极管Q3的基极Q3B之间，三极管Q3的发射极Q3E通过电阻R24接到MOS管Q2的漏极Q2D。MOS管Q2的栅极Q2G和三极管Q3的基极Q3B相连，MOS管Q2的源极Q2S接到SG，三极管Q3的发射极Q3E通过电阻R22连接到MOS管Q1的栅极Q1G，在Q1的栅极Q1G和源极Q1S间接有抗干扰电阻R21，由电阻R20，稳压管D13串联组成负偏压电路，为MOS管Q1关断时提供负偏压，R20的另一端接到电源VDD，稳压管D13的阳极D13A接到公共端SG，稳压管D13的阴极D13K与MOS管Q1的源极Q1S相连，DSP接口隔离电路中U4为线性光耦，采用的型号是HP7820。U5，U6为运算放大器，采用LM324，使用其中的两个单元。光耦U4的VIN+(2脚)端通过电阻R25与J4P相连，U4的VIN-(3脚)与J4N相连，接受DSP的控制电压信号，光耦U4的输出端VOUT-(6脚)经电阻R4与运放U6的反相输入端(-)端(2脚)相连，R5接在运放U6的反相输入端和输出端(1脚)之间，R2，R3串联在VCC和PG之间，R2，R3的连接点接到运放U6的同相输入端(3脚)，运放U6的输出经R6接到U5的同相输入端(+)(5脚)，R8接在U5的反相输入端(6脚)和输出端(7脚)之间，R7连接在运放U5的反相输入端和PG之间，运放U5的输出端经R9接到PWM控制器U1的IN+端作为设定电压。基本原理主电路是降压式斩波电路，首先将电网电压经二极管全波整流和RC滤波，得到300V直流电压。然后采用PWM高频斩波技术，将其变换为幅值为300V，占空比可调的脉冲电压，占空比调节范围0～90％，该电压加在电感上，由于电感的滤波作用，在电感上便得到直流励磁电流，该电流与占空比成正比。辅助电源采用双绕组变压器产生两组隔离的电源，然后采用三端稳压器产生两组稳定的电压VCC和VDD，分别供给控制电路和驱动电路，检测控制电路以SG3524为核心，SG3524的控制端接受来自EVM板的0～5V控制电压(模拟量)，输出电压占空比与该控制电压成正比关系，采用SG3524内部的误差放大电路组成闭环控制电路，补偿电路C4、R1提供闭环补偿，使闭环工作稳定。以I+、I-为输入端的内部比较器用来提供过流保护。隔离驱动电路由于功率管是上位开关，所以需要隔离电路偏移电平。由三极管Q2、MOS管Q3、稳压管D13组成驱动电路，为功率管提供边沿良好的驱动波形，同时提供负的关断电压，提高关断速度，降低功率管的开关损耗，接口隔离电路采用高速线性光电耦合器U4(HP7820)，实现EVM板与可控电源隔离，减少相互干扰，U4的6脚输出电压与输入电压呈比例关系，再经过由U5、U6组成的偏压电路偏移并放大电压，从而产生U1要求的输入控制电压。传统的逆变器输出滤波器参数是固定的，在工作过程中不可改变。而滤波器的工作条件不是固定的。它的输入电压基波频率、载波频率、占空比、调制方式要随着电机工作状态的变化而变化，而电机在起动、加速、稳定、减速、制动及反转或输出不同的机械功率时，电机的等效阻抗是不同的。一般滤波器的频率特性受负载影响很大。另外，滤波器的存在电压降落，因此影响负载电机的转矩。负载电流越大，滤波器上的电压降落也越大，在电机起动阶段便是如此。本发明由于采用了可调试电感作为滤波器电感，使得滤波器特性可以随着逆变器参数的设定及电机工作状态的变化而自动变化，能够使滤波器始终处于最佳状态。因此，本发明对促进滤波器技术的进步，添补逆变器输出滤波器技术空白，抑制逆变器负面效应具有十分重要的意义。本实用新型能够自动适应逆变器设定参数和电机工作状态的变化，在电机起动阶段，产生较小的电压降落，在电机稳态阶段，产生近似正弦的电压输出。滤波电感连续可调，能够用于多种调制规律的逆变器，具有良好的动态相应特性。本实用新型可以明显改善滤波效果和电机驱动效果，延长电机寿命，减小经济损失，提高电气传动系统的稳定性。
图1为本实用新型原理结构图。
图2为本实用新型可控电压源原理结构图。
图3为本实用新型中电感LA，A相交流绕组原理结构图。
图4为本实用新型中电感LB，B相交流绕组原理结构图。
图5为本实用新型中电感LC，C相交流绕组原理结构图。
图6为本实用新型直流绕组连接示意图。
图7为本实用新型中有效值变送器电路原理图。
实施例本实用新型系统参数额定交流电压380V/50Hz；逆变器型号罗克韦尔1336PLUSII，电机型号Y100L2-4，电缆参数，四芯防水电缆型号JB6213-92，长度100m；电机参数型号Y100L2-4，额定功率3kW，额定电压380V，额定电流6.8A，额定转速1420rpm，额定频率50Hz，绝缘等级B，重量38.5kg，防护等级IP44，联结方式Y。滤波电容为无极性电容20μF±5％/630V，滤波电阻为无感电阻2Ω/300W。近似线性可调电感LA、LB、LC可调范围为1～10mH，励磁电流0～1A，交流绕组电流最大值为10A。本实用新型技术指标可调电感变化范围1～10mH，可调电感励磁电流0～1A，滤波器开路截至频率300Hz～500Hz，最大基波电压损耗＜6％，最大功率损耗＜1％，最大谐波含量＜5％，电缆允许长度＞3000m，可调电感励磁电流响应时间＜20ms。本实用新型工作条件变频器额定电压380V/50Hz，逆变器容量1～100kVA，逆变器调制方式PWM调制。
权利要求1.一种逆变器输出可调式滤波器，其特征在于由电感可调式RLC滤波器、电流有效值变送器；数字信号处理器评估板、可控电压源组成，其中可调式RLC滤波器的电感进线端[A2]、[B2]、[C2]，与逆变器的三相电压输出端[A1]、[B1]、[C1]分别连接，电阻[RA]、[RB]、[RC]分别与电容[CA]、[CB]、[CC]串联，构成三条RC支路，三条RC支路组成星形连接，星形连接的三个端点[A4]、[B4]、[C4]分别与三个可调电感的出线端[A3]、[B3]、[C3]相连，星形连接的中点[D4]与逆变器直流母线中点[D1]相连，滤波器的输出端[A4]与电流有效值变送器的进线端[SI]相连，电流有效值变送器的出线端及滤波器的出线端[B4]和[C4]分别连接感应电机的输入端[A5]、[B5]和[C5]，电流有效值变送器的输出电压加在数字信号处理器评估板的A/D转换输入端，数字信号处理器评估板的D/A输出端连在控制电压源的[J4P]端，数字信号处理器评估板的信号地与可控制电压源的[J4N]端相连，可控制电压源的输出端[J5P]和[J5N]分别与可调电感直流绕组的[J6P]和[J6N]相连。
2.根据权利要求1所述的可调式滤波器，其特征在于电感可调式RLC滤波器中交流绕组[LA]由两个分别绕在矩形铁心[1]、[2]上的相同绕组组成，交流绕组[LB]由两个分别绕在矩形铁心[3]、[4]上的相同绕组组成，交流绕组[LC]由两个分别绕在矩形铁心[5]、[6]上的相同绕组组成，铁心[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]上的绕组分成左右两部分，它们的绕向和匝数完全相同，采用反向串联；直流绕组是每相交流绕组对应的两个矩形铁心[1]和[2]、[3]和[4]、[5]和[6]并放后再绕以直流绕组，每个直流绕组分成左右两部分，绕向和匝数相同，采用正向串联，三个直流绕组串联后与可控制电压源连接。
3.根据权利要求1所述的可调式滤波器，其特征在于电流有效值变送器中的霍尔电流传感器[U1]的正电源端[N11]接+15V电源，负电源端[N12]接-15V电源，电源地端[M-]接电源公共端，霍尔电流传感器[U1]的输出端[M+]与地之间接可调电阻[R1]，电流有效值计算器[U2]的端子[3]接+15V电源，端子[5]接-15V电源，端子[1]和[2]接电源公共端，端子[4]接霍尔电流传感器的输出端[M+]，端子[8]接数字信号处理器评估板A/D输入端[J2P]，数字信号处理器评估板的地与电流有效值变送器的地连接，电流有效值变送器的端子[9]和[10]短接，端子[7]悬空，端子[3]和[6]之间接电容[C1]，其中端子[3]接电容[C1]的正极。
专利摘要本实用新型涉及一种逆变器输出可调式滤波器,主要由电感可调式RLC滤波器、电流有效值变送器、数字信号处理器评估板(EVM)、可控电压源组成,滤波器的输入端与逆变器连接,滤波器的输出端经电流有效值变送器与感应电极连接,数字信号处理器评估板接收电流有效值变送器的输出信号并产生可控电压源的控制信号,可控电压源的输出与电感直流绕组相连。本实用新型采用电感作为滤波器可调元件,原理简单,能够进行电气调节,响应速度快,易于实现闭环调节,用于逆变器驱动交流感应电机的场合,例如风机、泵站、采油、冶金等领域。
文档编号H02M7/42GK2513286SQ01265458
公开日2002年9月25日 申请日期2001年11月1日 优先权日2001年11月1日
发明者徐殿国, 陈希有, 马洪飞, 刘汉奎, 颜斌 申请人:哈尔滨工业大学