用于交流电机驱动系统的差模滤波器及其参数设计方法

本发明涉及电力电子应用，尤其涉及一种用于交流电机驱动系统的差模滤波器及其参数设计方法。

背景技术：

1、近年来，随着国民经济的发展和科技水平的不断提高，电力电子技术和电力电子器件的水平得到了大力发展。目前，将以绝缘栅双极型晶体管(igbt)、场效应晶体管(mosfet)等高性能电力电子器件为主要元件设计的逆变器作为驱动组件来驱动交流电机，已成为当今交流电机调速系统的主流。但由于逆变器采用pwm调制技术和非线性开关元件(igbt、mosfet管等)，其输出的信号会发生畸变，在开关频率及倍频产生幅值较大的谐波电流。对于大功率交流电机而言，电机定子的电感感量不足以抑制这些高频谐波电流，导致交流电机使用时定子的电流谐波含量大，从而产生电磁干扰，严重增加了电机噪声。

2、现有技术中，抑制交流电机开关频率差模谐波电流的通常做法是在逆变器和交流电机之间加装lc滤波器、lcl滤波器、llcl滤波器或者ltcl滤波器。lc滤波器在高频拥有-40db/十倍频的衰减，但由于其体积大，在大功率、低开关频率的情况下，会限制l、c的取值，因此很少应用于大功率交流电机上。lcl滤波器是在lc滤波器的基础上加入一个电感组成三阶滤波器，在高频拥有-60db/十倍频的衰减，但是在大功率情况下，根据一倍开关频率的衰减要求设计出来的lcl滤波器电感量很大。llcl滤波器拥有一个陷波电路，能够有效抑制一倍开关频率的谐波电流，并且相线上的电感根据二倍开关频率的衰减要求设计，能够减小电感的值，但是高频的衰减只有-40db/十倍频。ltcl滤波器是在lcl滤波器的基础上加入了一条陷波电路，结合了lcl滤波器和llcl滤波器的优点，不仅能够有效抑制一倍开关频率的谐波电流，而且在高频仍然拥有-60db/十倍频的衰减；在相同谐波衰减要求下，与lcl滤波器和llcl滤波器相比，其相线上的电感值更小，重量更轻；但是，ltcl滤波器只能有效降低一倍开关频率的谐波电流，在大功率的情况下要兼顾开关频率及倍频的谐波电流衰减，依旧需要很大的电感量。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中大功率交流电机开关频率差模谐波电流含量大的问题，本技术提供了一种用于交流电机驱动系统的差模滤波器。该差模滤波器依据n+1倍开关频率的谐波电流衰减要求设计lcl滤波电路，能够在很大程度上降低逆变器端电感的感量，减小滤波器的体积，同时在lcl滤波电路的基础上加入了n条陷波电路以及并联阻尼电路，结构设计合理，增大了对开关频率及倍频谐波电流的衰减，从而能够有效抑制从逆变器流入交流电机的高频差模谐波电流，降低电机噪声，具有较大的工程应用价值。此外，本技术还提供了上述差模滤波器的参数设计方法。

2、对于滤波器而言，本技术的技术方案为：

3、用于交流电机驱动系统的差模滤波器，包括lcl滤波电路、并联阻尼电路和n条陷波电路；所述lcl滤波电路包括三个逆变器端电感li、三个滤波电容cf和三个电机端电感ls；所述并联阻尼电路包括三个阻尼电容cp和三个阻尼电阻rp；第n条陷波电路包括三个陷波电感ln和三个陷波电容cn；所述三个逆变器端电感li的进线端分别与逆变器的三个输出端相连，出线端分别与三个电机端电感ls相连；所述三个滤波电容cf的末端相互连接组成星形连接，首端分别与三个逆变器端电感li的出线端相连；所述三个阻尼电容cp分别和三个阻尼电阻rp串联，构成三条阻尼支路；所述三条阻尼支路的末端相互连接组成星形连接，首端分别与三个逆变器端电感li的出线端相连；所述三个陷波电感ln分别与三个陷波电容cn串联，构成三条陷波支路；所述三条陷波支路的末端相互连接组成星形连接，首端分别与三个逆变器端电感li的出线端相连。

4、与现有技术相比，本技术的用于交流电机驱动系统的差模滤波器结构设计合理、工程应用价值大；其在lcl滤波电路的基础上加入了n条陷波电路以及并联阻尼电路，通过n条陷波电路分别抑制1～n倍开关频率的差模谐波电流，通过lcl滤波电路抑制n+1倍开关频率及之后的差模谐波电流，通过并联阻尼电路抑制将lcl滤波电路和陷波电路加入交流电机驱动系统中所带来的谐振电流，并且和串联阻尼电路相比增大了对开关频率及倍频谐波电流的衰减，从而能够有效抑制从逆变器流入交流电机的高频差模谐波电流，降低电机噪声；此外，lcl滤波电路依据n+1倍开关频率的谐波电流衰减要求设计得到，能够在很大程度上降低逆变器端电感的感量，减小滤波器的体积。

5、作为优化，前述的用于交流电机驱动系统的差模滤波器中，所述电机端电感ls为交流电机的等效电感。由此，在不影响差模滤波器使用的前提下，减少了元件的使用，有利于节约成本，同时进一步减小了差模滤波器的体积。

6、对于参数设计方法而言，本技术的技术方案为：

7、用于交流电机驱动系统的差模滤波器的参数设计方法，包括以下步骤：步骤一、建立差模滤波器中所有电容的约束，限制所有电容吸收的无功功率之和不大于交流电机额定功率的5％；步骤二、根据n+1倍开关频率的谐波电流衰减要求，设计lcl滤波电路中逆变器端电感li和滤波电容cf的值；步骤三、根据1～n倍开关频率的谐波电流衰减要求，分别设计n条陷波电路中陷波电感ln的值；步骤四、调整谐振频率的值，使谐振频率远离开关频率的整数倍；步骤五、根据谐振电流衰减要求，设计并联阻尼电路中阻尼电容cp和阻尼电阻rp的值。

8、作为优化，前述的参数设计方法中，所述步骤一中，所有电容的约束公式为：式中，p为交流电机的额定功率，fbase为基波频率，ul-l为交流电机线电压的有效值。

9、所述步骤二中，逆变器端电感li的取值范围为limin≤li≤limax。limin是根据n+1倍开关频率的谐波电流衰减要求计算出的下限值，计算公式为：式中，fsw1是一倍开关频率，fres1是一倍谐振频率，f是谐波电压vin(s)的频率，is(s)是在某一频率f下从逆变器流入交流电机的谐波电流的期望值。limax满足逆变器端电感li在最大基波频率fbase下的电压降要小于交流电机在额定电流in下的额定电压un的5％，计算公式为：所述滤波电容cf的计算公式为：

10、所述步骤三中，所述陷波电感ln可以由谐振频率公式得出：fswn为n倍开关频率；所述陷波电容cn的参数值受到步骤一中总电容值的约束。

11、所述步骤四中，可以通过增大或减小滤波电容cf的值，以增大或减小一倍谐振频率的值；或者，通过增大或减小陷波电容cn的值，以增大或减小n+1倍谐振频率的值。

12、所述步骤五中，所述阻尼电容cp的设计公式为：cp＝2cf；所述阻尼电阻rp的设计公式为：

13、与现有技术相比，本技术的用于交流电机驱动系统的差模滤波器的参数设计方法中，lcl滤波电路根据n+1倍开关频率的谐波电流衰减要求设计各参数值，n条陷波电路分别根据1～n倍开关频率的谐波电流衰减要求设计各参数值，并联阻尼电路根据谐振电流衰减要求设计各参数值(将lcl滤波电路和陷波电路加入交流电机驱动系统中会带来谐振电流)，这些参数设计合理，从而使得差模滤波器能够有效抑制交流电机驱动系统中的高频差模谐波电流，降低电机噪声，同时还能在很大程度上降低逆变器端电感的感量，减小滤波器的体积。