用于变频三相电机的正弦波滤波器设计方法、装置和设备与流程

本发明实施例涉及电机技术领域，具体涉及用于变频三相电机的正弦波滤波器设计方法、装置和设备。

背景技术：

近年来，变频器广泛应用于三相电动机调速，达到了节能、提高生产效率和系统性能的目的，已经成为现代工业生产中不可或缺的设备，但是变频器带来巨大工业利益的同时也伴随着带来了许多问题，其中最明显的就是损伤所驱动的电机。变频电机的生命力普遍不如工频电力直接驱动的电机，如变频电机的绕组绝缘经常被脉冲高电压击穿、电机的轴承损坏，这些都是由于变频器在工作过程中将工频三相交流电压整流成直流电压，然后将直流电压通过算法转变成一系列脉冲电压导致的。特别是对于变频器与电机电缆连接较长(一般大于50米)，或潜水电机除连接电缆较长外还因为电机内部充电液本身导电率就很高，等等原因，会在电机端部或电机内部绕组匝间或相间产生局部的高电压，从而经常击穿电机绕组的绝缘。

现代工业中有时会见到在变频器与三相异步电机之间串接一个正弦波滤波器，达到降低变频器输出存在瞬间高电压以及脉冲沿上升时间过快的问题。但是正弦波滤波器输出电压总谐波畸变率较高，一般超过百分之八，有时达到百分之十几，且普遍存在温升过高的问题，一般超过40k。正弦波滤波器安装现场需要有良好的通风，否则会造成环境温度过高，从而影响周边电器设备运行的安全。如果不应用正弦波滤波器将会造成电机绝缘绕组经常击穿，需要耗费大量的人力、物力成本，从市场上购置的正弦波滤波器谐波畸变率高。

如何使正弦波滤波器低温升，延长变频用三相电机的使用寿命，降低三相电机的维护成本，是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供用于变频三相电机的正弦波滤波器设计方法、装置和设备，用以解决现有用于变频三相电机的正弦波滤波器温升高的问题。

为实现上述目的，发明人经过大量创造性的劳动得出了本发明实施例的如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种用于变频三相电机的正弦波滤波器设计方法，包括：

根据目标变频三相电机的额定相电压有效值、额定相电流有效值和额定电压角频率得到正弦波滤波器中的三相电抗器中的每相电感值；

根据所述目标变频三相电机的额定有功功率、额定相电压有效值和额定电压角频率得到所述正弦波滤波器中三相电容中的每相电容值，所述三相电容采用星接方式与三相电抗器的输出端并联；

设定所述三相电抗器的铁芯磁密处于第一预设取值区间，并设定所述三相电抗器的铁芯硅钢片的厚度处于第二预设取值区间。

根据本发明的一个实施例，根据以下公式得到所述正弦波滤波器中三相电抗器中的每相电感值：

其中，l为所述正弦波滤波器中三相电抗器中的每相电感值，u为所述三相电机的额定相电压有效值，i为所述三相电机的额定相电流有效值，ω为所述三相电机额定电压角频率。

根据本发明的一个实施例，根据以下公式得到所述正弦波滤波器中三相电容中的每相电容值：

其中，c为所述正弦波滤波器中的三相电容中的每相电容值，p为所述三相电机的额定有功功率。

根据本发明的一个实施例，所述第一预设取值区间为[7000,8500]，单位为高斯；所述第二预设取值区间为[0.18,0.25]，单位为毫米。

第二方面，本发明实施例还提供一种用于变频三相电机的正弦波滤波器设计装置，包括：

第一设计模块，用于根据目标变频三相电机的额定相电压有效值、额定相电流有效值和额定电压角频率得到正弦波滤波器中的三相电抗器中的每相电感值；

第二设计模块，用于根据所述目标变频三相电机的额定有功功率、额定相电压有效值和额定电压角频率得到所述正弦波滤波器中三相电容中的每相电容值，所述三相电容采用星接方式与三相电抗器的输出端并联；

第三设计模块，用于设定所述三相电抗器的铁芯磁密处于第一预设取值区间，并设定所述三相电抗器的铁芯硅钢片的厚度在处于第二预设取值区间。

根据本发明的一个实施例，所述第一设计单元根据以下公式得到所述正弦波滤波器中三相电抗器中的每相电感值：

其中，l为所述正弦波滤波器中三相电抗器中的每相电感值，u为所述三相电机的额定相电压有效值，i为所述三相电机的额定相电流有效值，ω为所述三相电机额定电压角频率。

根据本发明的一个实施例，所述第二设计单元根据以下公式得到所述正弦波滤波器中三相电容中的每相电容值：

其中，c为所述正弦波滤波器中的三相电容中的每相电容值，p为所述三相电机的额定有功功率。

根据本发明的一个实施例，所述第一预设取值区间为[7000,8500]，单位为高斯；所述第二预设取值区间为[0.18,0.25]，单位为毫米。

第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括：至少一个处理器和至少一个存储器；所述存储器用于存储一个或多个程序指令；所述处理器，用于运行一个或多个程序指令，用以执行如第一方面所述的用于变频三相电机的正弦波滤波器设计方法。

第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，包含一个或多个程序指令，所述一个或多个程序指令用于被执行如第一方面所述的用于变频三相电机的正弦波滤波器设计方法。

本发明实施例提供的技术方案至少具有如下优点：

本发明实施例提供的用于变频三相电机的正弦波滤波器设计方法、装置和设备，既能避免三相电抗器因铁磁谐振引起的过电压，又能大大降低高次谐波引起的涡流损耗使正弦波滤波器长期运行时温升低于28k，性能良好。

附图说明

图1为本发明实施例的用于变频三相电机的正弦波滤波器设计方法的流程图。

图2为本发明一个示例中三相电网、变频器、正弦波滤波器和深水泵连接的示意图。

图3为本发明的一个示例中变频器输出电压线电压仿真波形图。

图4为本发明的一个示例中正弦波滤波器输出线电压仿真波形图。

图5为本发明的一个示例中正弦波滤波器温升实验波形图。

图6为本发明实施例的用于变频三相电机的正弦波滤波器设计装置的结构框图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”和“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例的用于变频三相电机的正弦波滤波器设计方法的流程图。如图1所示，本发明实施例的用于变频三相电机的正弦波滤波器设计方法，包括：

s1：根据目标变频三相电机的额定相电压有效值、额定相电流有效值和额定电压角频率得到正弦波滤波器中的三相电抗器中的每相电感值。

在本发明的一个实施例中，根据以下公式得到正弦波滤波器中三相电抗器中的每相电感值：

其中，l为正弦波滤波器中三相电抗器中的每相电感值(单位为h)，u为三相电机的额定相电压有效值(单位为v)，i为三相电机的额定相电流有效值(单位为a)，ω为三相电机额定电压角频率(单位为弧度/秒)。

s2：根据目标变频三相电机的额定有功功率、额定相电压有效值和额定电压角频率得到正弦波滤波器中三相电容中的每相电容值，三相电容采用星接方式与三相电抗器的输出端并联。

在本发明的一个实施例中，根据以下公式得到正弦波滤波器中三相电容中的每相电容值：

其中，c为正弦波滤波器中的三相电容中的每相电容值(单位为f)，p为三相电机的额定有功功率(单位为w)。

s3：设定三相电抗器的铁芯磁密处于第一预设取值区间，并设定三相电抗器的铁芯硅钢片的厚度处于第二预设取值区间。

其中，第一预设取值区间为[7000,8500]，单位为高斯；第二预设取值区间为[0.18,0.25]，单位为毫米。优选三相电抗器的铁芯磁密为7500高斯，三相电抗器铁芯硅钢片厚度为0.23毫米，这样既能避免三相电抗器因铁磁谐振引起的过电压，又能大大降低高次谐波引起的涡流损耗使正弦波滤波器长期运行时温升低于28k，性能良好。

图2为本发明一个示例中三相电网、变频器、正弦波滤波器和深水泵连接的示意图。如图2所示，三相电网是指由abc三相，每相频率相同、相电压有效值相等，相位差互差120度的交流电路组成的电力系统。目前，我国生产、配送的都是三相交流电，频率50hz，相电压有效值220v。

变频器是应用电力电子技术和微电子技术，通过改变电机工作电源的频率方式来控制交流电动机的电力控制设备，达到节能、调速、软启动、保护电机等目的。变频器输出电压线电压仿真波形如图3所示。

正弦波滤波器连接于变频器与深水泵之间，目的是使变频器输出的系列脉冲波形解调为正弦波波形。正弦波滤波器输出线电压仿真波形如图4所示，总谐波畸变率低于5％，温升小于28k，温升实验波形如图5所示，从图中可知正弦波滤波器运行约2个小时之后已经处于稳定状态，在夏天运行温度低于53度，市场上的正弦波滤波器温度几乎高于100度，现场如同安装了一个火炉。可见根据此发明设计的正弦波滤波器输出电压可比拟于电网电压，而且温升很低，性能良好，能够大大延长电机的使用寿命，节省人力维护成本，达到显著提高经济效益的目的。

深水泵的工作水压一般可达90bar，采用变频电机频率调节范围一般在35-50hz之间，防护等级ip68。在深水泵前端加上正弦波滤波器之后，可大幅降低变频器输出的pwm脉冲电压对深水泵电机绕组的冲击，消除电机内部绕组因杂散电感、杂散电容的存在引起局部瞬间高电压的现象，极大地延长电机的使用寿命。

图6为本发明实施例的用于变频三相电机的正弦波滤波器设计装置的结构框图。如图6所示，本发明实施例的用于变频三相电机的正弦波滤波器设计装置，包括：第一设计模块100、第二设计模块200和第三设计模块300。

第一设计模块100用于根据目标变频三相电机的额定相电压有效值、额定相电流有效值和额定电压角频率得到正弦波滤波器中的三相电抗器中的每相电感值。

第二设计模块200用于根据目标变频三相电机的额定有功功率、额定相电压有效值和额定电压角频率得到正弦波滤波器中三相电容中的每相电容值，三相电容采用星接方式与三相电抗器的输出端并联。

第三设计模块300用于设定三相电抗器的铁芯磁密处于第一预设取值区间，并设定三相电抗器的铁芯硅钢片的厚度处于第二预设取值区间。

在本发明的一个实施例中，第一设计模块根据以下公式得到正弦波滤波器中三相电抗器中的每相电感值：

其中，l为正弦波滤波器中三相电抗器中的每相电感值，u为三相电机的额定相电压有效值，i为三相电机的额定相电流有效值，ω为三相电机额定电压角频率。

在本发明的一个实施例中，第二设计模块根据以下公式得到正弦波滤波器中三相电容中的每相电容值：

其中，c为正弦波滤波器中的三相电容中的每相电容值，p为三相电机的额定有功功率。

在本发明的一个实施例中，第一预设取值区间为[7000,8500]，单位为高斯；第二预设取值区间为[0.18,0.25]，单位为毫米。

需要说明的是，本发明实施例的用于变频三相电机的正弦波滤波器设计装置的具体实施方式与本发明实施例的用于变频三相电机的正弦波滤波器设计方法的具体实施方式类似，具体参见用于变频三相电机的正弦波滤波器设计方法部分的描述，为了减少冗余，不做赘述。

另外，本发明实施例的用于变频三相电机的正弦波滤波器的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

本发明实施例还提供一种电子设备，包括：至少一个处理器和至少一个存储器；所述存储器用于存储一个或多个程序指令；所述处理器，用于运行一个或多个程序指令，用以执行如第一方面所述的用于变频三相电机的正弦波滤波器设计方法。

本发明所公开的实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令在计算机上运行时，使得计算机执行上述的用于变频三相电机的正弦波滤波器设计方法。

在本发明实施例中，处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，简称dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，简称asic)、现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。处理器读取存储介质中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

存储介质可以是存储器，例如可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。

其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read-onlymemory，简称rom)、可编程只读存储器(programmablerom，简称prom)、可擦除可编程只读存储器(erasableprom，简称eprom)、电可擦除可编程只读存储器(electricallyeprom，简称eeprom)或闪存。

易失性存储器可以是随机存取存储器(randomaccessmemory，简称ram)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(staticram，简称sram)、动态随机存取存储器(dynamicram，简称dram)、同步动态随机存取存储器(synchronousdram，简称sdram)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(doubledataratesdram，简称ddrsdram)、增强型同步动态随机存取存储器(enhancedsdram，简称esdram)、同步连接动态随机存取存储器(synchlinkdram，简称sldram)和直接内存总线随机存取存储器(directrambusram，简称drram)。

本发明实施例描述的存储介质旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本发明所描述的功能可以用硬件与软件组合来实现。当应用软件时，可以将相应功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。