驱动器输出滤波器的应用有哪些？

1. 输出滤波器概述

1.1 输出滤波器的应用需求

驱动器类应用场景，特别是高压场景，通常使用输出滤波器来达到现场应用需求。

输出滤波器的作用与场景应用需求：

（1）电机的绝缘保护；

（2）降低电机噪声；

（3）降低电机电缆中的高频电磁干扰；

（4）降低电机的轴承电流和轴电压；

1.2 输出滤波器类型

常用的输出滤波器有正弦波滤波器、dU/dt滤波器和高频干扰抑制滤波器；

（1）正弦波滤波器：适用于高于额定开关频率，但不得在低于额定开关频率的20%；

（2）dU/dt滤波器：适用于低于额定开关频率，但较高的开关频率会导致滤波器过热，应尽量避免使用；

（3）高频干扰抑制滤波器：适用于降低输出电磁干扰场合，一般为输出磁环滤波器；

2. 电机的绝缘保护

2.1 输出电压的形成

变频器的输出电压是上升时间tr的脉宽调制的梯形脉冲。当逆变器桥工作时，IGBT开关形成的dU/dt，会增加电机端子侧的电压，主要取决于以下因素：

• 电机电缆（类型、横截面、长度、屏蔽或未屏蔽、分布电感和分布电容）；
• 电机的高频浪涌冲击；

由于电缆特性阻抗与电机电涌阻抗之间的阻抗不匹配而产生反射，导致电机端子的振铃电压超调，如下图：

变流器输出电压和电机端子电压示例

2.2 特征阻抗对电压的影响

（1）电机特征阻抗随着电机尺寸的增大而减小，从而使与电缆阻抗的失配减小；

（2）较低的反射系数(Γ)降低了波反射，从而导致电压超调；

（3）在并联电缆的情况下，电缆的特性阻抗降低，导致反射系数越高，超调越高；

（4）不同功率电机的反射系数：

反射系数的典型值

2.3 上升沿tr的测量与dU/dt的计算

（1）输出电压的测量：在电机端子上测量相间电压、相电压的上升时间tr和峰值电压Upeak值；

（2）tr的测量方法主要有两种；

国际IEC标准：将上升时间tr定义为峰值电压峰值的10%至90%之间的时间；

IEC的tr

美国NEMA标准：将上升时间定义为最终稳定电压的10%到90%之间的时间；

NEMA的tr

（3）dU/dt计算

2.4 Upeak和tr的关系

各标准和技术规范提出了不同电机类型的Upeak和tr的限制；

• IEC60034-17-通用电机，500V电机的极限线；
• IEC60034-25-变流器额定电机的限值：曲线A适用于500V电机，曲线B适用于690V电机；
• NEMA MG1-明确逆变器用途的电机；

Upeak和tr的关系

在实际的应用中，当Upeak和tr超过了适用于所用电机的限制，应使用输出滤波器来保护电机绝缘。

3. 降低电机声噪声

（1）电机产生的声噪声主要有三个来源。

• 电机磁芯通过磁致伸缩而产生的磁噪声；
• 电机轴承产生的噪声；
• 电机通风所产生的噪音；

（2）当变频器控制电机时，施加给电机的脉宽调制（PWM）电压在开关频率和谐波（主要是开关频率的两倍）处产生额外的磁噪声；

（3）在某些应用场合中是不可接受的，为了消除这种额外的开关噪声，应使用正弦波滤波器，对变频器的脉冲形电压进行滤波，使其在电机端子为相对相的正弦电压；

4. 降低电机电缆中的高频电磁干扰

4.1 高频电磁干扰形成与特点

（1）当不使用输出滤波器时，在电机端子发生的振铃电压是主要的高频干扰源。

（2）电机端子上电压振铃的频率与电机电缆中高频传导干扰的频谱相关。

振铃电压与传导干扰关系

（3）除了以上干扰成分外，还有其他的噪声成分：

• 相地间的共模电压及其谐波：低频高振幅；
• IGBT引起的高频干扰（10MHz以上）：高频但振幅低；

4.2 输出滤波器对电磁干扰的贡献

（1）使用dU/dt滤波器的情况下：振铃振荡的频率降低到150 kHz以下；

（2）使用正弦波滤波器的情况下：振铃振荡被完全消除，电机端电压为正弦波；

（3）传导干扰试验对比：

无输出滤波器

有正弦波滤波器