变频器LC滤波器引起的异步电机自激及其抑制

 PWM逆变器广泛用于交流电机调速系统中，它的应用大大提高了交流电机的调速性能，使得变频调速在调速的平滑性、调速范围、调速性能等方面都具有很大的优势，但PWM逆变器的PWM输出电压会产生很高的dv/dt，损坏电机绝缘。同时，三相PWM电压的共模分量可能导致电机轴电流问题，影响电机使用寿命，甚至损坏电机。为此，可在逆变器的输出端设置LC滤波电路，以减小dv/dt，滤除高次谐波，改善输出电压波形。但是，LC滤波器的引入也带来了一些新问题。当变频器封锁驱动脉冲、停止运行时，LC滤波器的滤波电容相当于直接并联在电机的定子端，可能使电机进入自激发电状态。异步电机自激发电时引起的高电压，对电机而言，有可能会损害电机的绝缘，影响电机的安全；对逆变器而言，有可能会击穿输出滤波电容或者显著缩短其寿命，甚至威胁到IGBT的安全工作。因此，应当尽量避免异步电机的自激现象。

　　为防止异步电机进入自激发电状态，通常的对策是减小逆变器滤波电容，但滤波电容的设计受二谐振频率、滤波电感压降及谐波电流等多因素的限制，其取值未必能够满足避免电机自激的要求。其次，在某些情况下设计滤波电容时，并不能确切地知道负载电机的特性，从而也就无法保证能够避免电机自激。因此，本文从变频器控制策略出发，探讨了通过控制电机断电前的转速及定子端电压，以防止电机自激的方法。

　　2异步电机自激发电的原理异步电机自激发电的一个基本条件是定子端需要接电容器。示出异步电机自激发电接线图。示出异步电机自激原理示意图。

　　异步电机的转子总是有一定剩磁的。转子在被原动机拖动或依其惯性旋转时，初始剩磁！s在定子绕组中感应出剩磁电势ES，ES在电容上产生超前Es90°的电容电流定稿日期=研究方向为电力电子与电力传动。

　　Ic.Ic在定子绕组中产生磁通！a示出其相量图。可见，。与电机的！8是同相位。因此，若前者幅值更大，则意味着气隙磁通增加，于是定子感应电势增加，然而这又引起I.继续增大，形成一个正反馈过程。该过程将持续到b的A点，即电机磁化曲线与电容线的交点为止（其间假定电机转速恒定），此时定子感应电势产生的Ic与发出该电势所需的励磁电流刚好相等。b的电容线的斜率随电容的大小而变化，由下式决定：由上可见，调节C的大小，即可调节a角，随之改变异步电机自激的原理示意LC滤波电容与异步电机间的自激a示出变频调速系统框图。它由逆变桥、LC滤波器和电机组成。当逆变器封锁脉冲、停止工作时，相当于滤波电容直接并联在电机定子端。在电机空载或轻载的情况下，电机转速接近于同步转速，而转子上显然有剩磁存在。因此，电机有可能进入自激发电状态。的均值PI控制，变频器的实际输出电压在动态过程中并不能保证严格地跟踪电压指令的变化。中，当电压指令U（s）（与频率指令成正比关系）以较大速度下降时，由于输出电压u（s）来不及变化，因此误差e（s）变成一个绝对值较大的负数，经过比例积分运算后，控制器输出很快达到负向饱和限幅值（即零），使实际的输出电压快速下降为零。上述这种因指令变化过快导致的输出电压过调现象在变频器正常工作时是应当避免的，但在此处可用于抑制自激。

　　变频器输出电压PI调节原理实验所用变频器的输出电压采用均值PI调节，给定频率在2ms时间内下降到30Hz然后封锁脉冲。a示出自激电压由零开始建立时的uc实验波形。可见，该电压不再象那样跟踪其指令做连续变化，而几乎在瞬间降为零。封锁脉冲后，自激电压从零开始建立，且达到峰值所消耗的时间达0.9s，由于该期间，n的下降，使最终的峰值电压降为270V，已低于电机的正常工作电压。如果适当放缓频率/电压指令的下降速度，使封锁脉冲前电机有更长的时间制动，则有可能完全消除自激现象。b示出无自激现象时的uc波形。其给定频率在10ms内降为30Hz随后封锁脉冲。可见，逆变器的输出电压仍然迅速下降到零，只是下降速度稍有减缓。封锁脉冲后，由于电机转速降得更低而无法完成自激过程，自激现象消失。

　　H激电压山零开始建立时（b）无「丨激现象时实验结果上述将电容电压降为零后再停机的方法，其优点是停机过程更快，即变频器在接受到停机指令后能更快地停止工作（以封锁脉冲的时刻为标志）；缺点是封锁脉冲前电机的制动电流会大一些。

　　上述实验中若进一步减缓频率指令下降速度，则输出电压PI调节器因饱和限幅导致的过调现象将逐渐消失，输出电压波形将逐渐过渡到b的模式。

　　5结论对变频器LC滤波器与异步电机之间的自激现象进行了分析研究，讨论了变频器封锁脉冲前频率及滤波电容上电压幅值与电机自激之间的关系，由此给出了通过变频器控制策略抑制LC滤波器与异步电机自激的方法。通过实验，证明了所提方法的可行性。