電機驅(qū)動中AFE 應用探索

陳磊

（揚帆集團股份有限公司，浙江 舟山 316100）

1 概述

使用有源前端（AFE）轉(zhuǎn)換器的基于IGBT 技術的可調(diào)速驅(qū)動器（ASD）如今被廣泛使用。使用基于IGBT 的功率轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點如下：高開關頻率；更小的開啟和關閉時間，這可以減少開關損耗；先進PWM 技術可用于控制。

在一些應用需要電機和電源轉(zhuǎn)換器之間的長電纜。在這種情況下，已經(jīng)觀察到，與逆變器端的電壓相比，電機端子的電壓在開關暫態(tài)期間增加幾倍。由于更快的導通和關斷時間，逆變器端的高dv/dt 也導致等問題如下：除了電機端子的倍壓外，還增加了接地電流；負載端的軸承損壞和絕緣失效；EMI/EMC 問題。

使用三相二極管橋式整流器供電的直流母線將低次諧波注入電網(wǎng)。如果不需要再生能力，AFE 轉(zhuǎn)換器是一種合適的替代方案。

雖然AFE 轉(zhuǎn)換器消除了低次諧波，但它會注入高頻電噪聲。此外，高dv/dt 激發(fā)電容耦合，這導致增加了接地電流。由于轉(zhuǎn)換器通常在幾十千赫茲的范圍內(nèi)切換，因此，問題變得非常突出。這種AFE 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電噪聲與PWM 逆變器產(chǎn)生的電噪聲相結合，并出現(xiàn)在負載上，加劇了電機端的問題?；诹阈蜃⑷胼d波的PWM 技術（CSVPWM）經(jīng)常用于AFE 操作，因為DC 總線利用率更高。由于存在三次諧波分量，這種PWM 技術很難得到適合使用AFE 轉(zhuǎn)換器的高階濾波器的拓撲結構。

CISPR 22 和IEC 61000 等標準規(guī)定了電力轉(zhuǎn)換器對商業(yè)和家庭應用的電流注入限制。NEMA MG-1 的第31 部分建議可以在電機端子上施加的最大允許dv/dt，以確保安全運行。為了滿足這些規(guī)定，采用了不同的解決方案來減輕不良影響。

無源濾波器被廣泛采用來解決這些問題。消除電機端子電壓倍增并減小共模電流而不顯著增加尺寸和成本的濾波器配置之一是dv/dt 濾波器。如果所需的濾波器僅用于解決電動機端子處的倍壓，那么，濾波器的諧振頻率可以高于開關頻率。利用這種濾波器，電路元件的尺寸減小。阻尼這種濾波器非常困難，而輸出被鉗位到所需的DC 總線電壓。夾緊過濾器在文獻[6]，[7]中提出。文獻[6]中提出的濾波器拓撲結構沒有解決共模分量問題，通過將濾波器的中性點連接到DC 總線中點O，在文獻[7]中提出的后續(xù)設計中克服了這個缺點。但是，沒有討論設計過程和含義。

電容器介于直流母線正極軌與地之間、負極軌與地之間，這消除了AFE 變換器引起的共模電壓。該方法不能直接與AFE 轉(zhuǎn)換器ASD 一起使用，因為由于CSVPWM 和開關電流分量，接地電流現(xiàn)在將以共模方式承載三次諧波電流。沒有討論選擇濾波器組件的明確設計過程。降低共模電壓PWM 技術用于最小化效應，但這也限制了線間輸出性能。[8]中討論的濾波器解決了AFE 轉(zhuǎn)換器消除高頻漏電流的問題。因此，考慮到驅(qū)動器的類型，有必要解決濾波器設計問題。這樣，整個過濾器就可以作為ASD 的一部分嵌入。

本文簡要概述了與基于IGBT 技術的ASD 相關的問題，該ASD 具有使用長電纜的有源前端（AFE）轉(zhuǎn)換器以及用于解決該問題的不同緩解技術。詳細討論了具有AFE 轉(zhuǎn)換器的這種轉(zhuǎn)換器的共模電壓。討論了用于濾波器設計的集成方法，其中解決了AFE 轉(zhuǎn)換器和逆變器的不利影響。所提出的拓撲結構如圖1 所示，其解決了由ASD 引起的共模電壓、共模電流和電壓倍增的問題。討論了所提出的濾波器拓撲結構的設計過程以及驗證濾波器有效性的實驗結果。

第一節(jié)討論了長電纜ASD 及其緩解技術的不利影響，展示了共模電壓和電流，也強調(diào)了AFE 轉(zhuǎn)換器對負載產(chǎn)生的共模電壓的影響。第二節(jié)概述了擬議過濾器的設計目標。第三節(jié)介紹了所提出的電動機側過濾器的工作原理和設計。第四節(jié)描述了共模電路和所提出的共模直流總線濾波器的設計。第五節(jié)討論實驗結果。

2 過濾器設計目標

ASD 的設計必須考慮現(xiàn)代PWM 轉(zhuǎn)換器引入的電噪聲。這需要端到端解決方案，其中，通過合適的濾波器拓撲結構作為ASD 系統(tǒng)的組成部分來最小化或消除電噪聲。濾波器必須同時處理共模和差模分量。設計過程需要獨立于負載，但在大多數(shù)情況下，必須考慮負載以有效地緩解問題。為了解決CMV 的有害影響，必須考慮AFE 轉(zhuǎn)換器的存在并保留系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的電噪聲。這增加了設計濾波器的復雜性。這里的濾波器設計涉及兩個方面：第一，消除電機端子的倍壓并最小化CMC；第二，消除AFE 轉(zhuǎn)換器對負載的CMV 影響，并限制ASD系統(tǒng)內(nèi)的電氣開關噪聲。

2.1 電機濾波器的設計目標

所提出的dv/dt 濾波器（LC 諧振鉗位濾波器）拓撲結構如圖1 所示，位于逆變器輸出端。這個設計的主要方面如下：（1）通過改變施加電壓的dv/dt 來消除電動機端子的倍壓；（2）減小濾波器的尺寸和成本，使其可以與轉(zhuǎn)換器的電源電路集成；（3）CMC 的最小化；（4）可輕松擴展大功率驅(qū)動器，而不會顯著增加濾波器的成本和尺寸。

為了滿足上述約束，使用dv/dt 濾波器。該濾波器通過略微修改拓撲來解決共模噪聲和差模噪聲問題。dv/dt 濾波器設計，dv/dt 要求，諧振頻率選擇，濾波器和半導體中的峰值電流，所產(chǎn)生的功率損耗用于選擇濾波器元件，如第四節(jié)所述。

2.2 共模直流母線濾波器的設計目標

為了解決由AFE 引起的CMV，在直流母線正軌與地之間以及負軌與地之間引入了電容器，這消除了共模電壓。[9]所提出的濾波器實現(xiàn)了對高頻CMV 的濾波，同時防止低頻三次諧波電流流入地面。

所提出的DC 總線共模濾波器如圖1 所示，中點M 連接到LCL 濾波器中性點N，其通過電容器 CMg接地。共模濾波器的關鍵設計方面如下：（1）消除由于AFE 操作導致CMV 傳播到負載側，從而消除CMC 電流的增加。（2）在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)開關和低階諧波電流，允許AFE 操作采用先進的PWM 技術。

下面將介紹直流母線共模濾波器以及第三節(jié)中用于選擇濾波器元件的方法。

表1 設計的dv/dt 濾波器值

圖1 帶有集成LCL 和直流母線共模濾波器的有源前端電機驅(qū)動器的原理圖，用于電機逆變器端子的電網(wǎng)和dv/dt 濾波器

3 實驗結果

在實驗室中，內(nèi)置三相10kVA，415V 背對背連接功率轉(zhuǎn)換器原型，以證明濾波器的有效性。基值為Pbase=10kVA，Vbase=240V，fbase=50Hz。逆變器的開關頻率為2.5kHz，AFE整流器的開關頻率為10kHz。100 米長的PVC 涂層四芯電纜用于演示電機端子的倍壓。負載是三相，415V，10kW，50Hz星形連接感應電動機，采用V/F 方案控制。使用矢量控制方法控制前端。Altera Cyclone II FPGA 平臺用于實現(xiàn)控制算法。

表2 設計的共模直流母線濾波器值

在圖2（a）中，在沒有dv/dt 濾波器的情況下，所施加的逆變器電壓和電動機端子之間的比較與線電流一起進行。與施加的電壓相比，電動機端子電壓上升超過兩倍。此外，在該瞬態(tài)期間，線電流上可以看到線對線寄生電容的影響。圖2（b）顯示了所連接的逆變器電壓，dv/dt 濾波電容器電壓，電機端子對地電壓以及連接電機側濾波器的接地電流。極電壓具有非常尖銳的上升沿，其由引起的dv/dt 濾波器變化產(chǎn)生，并且消除了電機端子處的電壓倍增，并使接地電流最小化。

圖3

圖4 測量波形顯示

使用AFE 整流器將DC 總線從600V 的預充電值提升至700V。圖3 表示DC 總線的升壓動作以及轉(zhuǎn)換器電流側電流和出現(xiàn)在DC 總線的中點與地 VOg之間的共模電壓。由二極管橋式整流器和AFE 整流器引起的CMV 清晰可見。很明顯，由于AFE 整流器導致的CMV 占主導地位，需要限制其出現(xiàn)在負載端子處。與三相二極管橋式整流器相比，在AFE 整流器操作期間對地的共模電流注入變得顯著。

當連接到正負軌的直流母線Y 電容接地時，開關電流和諧波電流流入地，如圖4（a）所示，用于CSVPWM。為了說明電流注入接地，AFE 轉(zhuǎn)換器的操作是在無負載的300V DC總線上進行的，以保持共模諧振分量的限制。在CSVPWM 的情況下，可以看到，開關和三次諧波電流流入地 Ico1m。而且，當LCL 濾波器的中性連接懸空時，N'與地之間的電壓 VNg高。

通過將中點M 連接到LCL 濾波器N'的中性來獲得所提出的拓撲。圖4（b）顯示了CMV VOg，電容器 CMg上的電壓，和CSVPWM 的接地電流。M 的相對于地的電位降低，使用明顯高于寄生電容的。與沒有任何濾波器的相比表2，直流母線濾波器后的電壓顯著衰減。對于帶有直流母線濾波器的CSVPWM， VOg的頻率現(xiàn)在是基頻的三倍，并且AFE 操作的幅度變化緩慢，從而產(chǎn)生了更安靜的直流母線。這說明了DC 總線共模濾波器的有效性。

基于三個二極管橋式整流器的ASD 和基于ASD 的AFE 轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)在電機中性點的CMV 和CMC 如圖5（a）和圖3（b）所示。為了說明CMV 的不利影響，將直流母線升壓至400V，以使電動機端子的電流和電壓保持在安全范圍內(nèi)。由于AFE轉(zhuǎn)換器導致的CMC 電壓由于逆變器而騎在CMV 上，這導致了CMC 的發(fā)生頻率增加。這與第二節(jié)中顯示的模擬結果一樣可以預期。

圖5（c）顯示了電機中性點接地的CMV 和CMC，連接了直流母線共模濾波器，但電機濾波器被移除。這有效地表明，由于AFE 轉(zhuǎn)換器消除了CMV，但是，逆變器CMV 仍具有高dv/dt。這降低了CMC 電流的發(fā)生頻率，但由于逆變器產(chǎn)生的CMV 的高dv/dt 仍然保持高幅度。通過添加dv/dt 濾波器，除了消除電機端子上的電壓倍增外，CMC 的幅度也會降低，如圖5（d）所示。

4 過濾效果

圖5 由于電纜配置的長電纜在電機端子上測量的CMV 和CMC 波形

表3

測量設備和控制卡的電源以地為參考。由于高dv/dt 導致的電傳導和輻射噪聲增加，由于基于AFE 的ASD 產(chǎn)生的噪聲阻礙了這些設備的正常操作，并且可能影響測量的準確性和可靠性。由于需要屏蔽每個傳感器和測量通道，增加隔離接地和過濾電源引線，因此，不受傳導和輻射噪聲影響的設備成本增加。所提出的濾波器拓撲通過在電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)換器本身內(nèi)提供循環(huán)路徑而將噪聲從參考地轉(zhuǎn)移。此外，逆變器輸出端的dv/dt 降低會降低輻射的高頻噪聲。表3，表示濾波器前后的電流大小。由PWM 工作引起的電機峰值電流從7A尖峰減少到大約0.4A，從而改善了所提出的電機驅(qū)動器與相鄰設備的兼容性。

5 結語

針對基于ASD 的AFE 整流器概述了整體濾波器拓撲和設計過程，簡要概述了從整個驅(qū)動系統(tǒng)的角度設計過濾器的需求，提出了一種利用dv/dt 濾波器用于差模電路的LCL 濾波器優(yōu)勢的設計方法，提出了有效且簡單的dv/dt 濾波器設計程序。基于共模電路討論了直流母線濾波器的分析。共模直流總線濾波器抑制AFE 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的高頻CMV 影響負載。

由于驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)的先進PWM 技術，所提出的拓撲結構使開關元件與三次諧波分量保持一致，并在共?；A上實現(xiàn)了濾波后的DC 總線。電機側的LC 諧振鉗位濾波器降低了輸出電壓的dv/dt，這進一步減小了CMV 對逆變器的不利影響，消除除了電機端子上的倍壓。當ASE 中使用AFE 整流器時，減少的CMC 可最大限度地降低電機故障的風險。