专利名称：有损耗三相低通滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1或2的前序部分所述的有损耗三相低通滤波器。
技术背景
目前市场上所供应的电压中间电路变换器(又称“变频器”)在负载侧往往配有 一个所谓的正弦输出滤波器。这个正弦输出滤波器的任务是将该变频器每个脉冲输出电 压中的高频分量滤除，使得连接在变频器负载侧接点上的负载(特别是电动机)上只剩下 基波电压。这种正弦滤波器通常由作为LC低通滤波器接入的滤波电感和滤波电容器构 成。这些滤波元件配合作用，使得该正弦滤波器的截止频率介于变频器的最大基波频率 与开关频率之间。
LC低通滤波器具有谐振频率。当这种滤波器在接近这个谐振频率的范围内受到 激励时，这种激励会被极其迅速地放大。这种激励可由电网谐波或连接在电网上的变频 器的谐波引发。
针对这一问题，设计低通滤波器时需要注意避免低通滤波器在接近其谐振频率 的范围内受到激励。由于无法完全避免低通滤波器受到激励，需要设置阻尼电阻器作 为衰减元件，以便将所出现的谐振锐度保持在容许极限内。但是低通滤波器经衰减处理 后，其损耗功率必然会上升。
这类LC低通滤波器(特别是有损耗低通滤波器)用作电网滤波器或变频器的正 弦输出滤波器。存在上述问题的低通滤波器受到谐振激励时其电容器电流的均方根值比 正常工作时大。
图1是一个包含有正弦输出滤波器4的变频器的负载侧换流器2，该换流器特定 而言为一逆变器(EP 0 682 401 Bl的图1)，此处对该变频器未加完整展示。除负载侧换 流器2外，该变频器还包括一中间电路6，这个中间电路具有两个电性串联的电容器8和 10。这两个电容器8和10的连接点构成一个所谓的中性点(Neutral R)int)NP。正弦输出 滤波器4的输入端连接在变频器的输出端接点12、14和16 (即负载侧换流器2的交流电 压侧接点)上。正弦输出滤波器4采用的是有损耗LC低通滤波器。这个有损耗三相低 通滤波器4每相各具有一个滤波电感18和一个滤波电容器20。这些滤波电容器20采用 星形接法。滤波电感18与滤波电容器20之间的每个连接点各构成正弦输出滤波器4的 一个输出端子22、M和沈。这些输出端子22、对和沈上连接有一个三相负载观，该 负载特定而言是一电动机。
图2展示的是一同类型的有损耗三相低通滤波器30的电路图。这种低通滤波器 30公开自EP 0 682 402 B2尤其是该专利说明书的图1。这种有损耗三相低通滤波器30与 图1所示低通滤波器4之间的区别在于，每个滤波电容器20各与一个衰减元件32电性串 联。每个衰减元件32均采用无电抗电阻器。这些衰减元件32的作用是在受到谐振激励 时使电容器电流的均方根值衰减。但是将无电抗电阻器用作衰减元件32的缺点是，当低 通滤波器30受到较轻程度的谐振激励时衰减效果微弱。受到较大强度激励时，不但衰减3效果会增强，衰减损失也会以二次方的程度随电容器电流的增大而增大。需要的衰减强 度越大，这种损失就越大。发明内容
因此，本发明的目的是对有损耗低通滤波器进行改进，在不影响衰减效果的情 况下降低这种损失。
根据本发明，这个目的通过权利要求1所包含的区别特征或权利要求2所包含的 区别特征结合相应的一般特征而达成。
根据本发明，每个衰减元件均采用两个二极管，这些二极管一方面反向并联， 另一方面布置成一6脉冲桥接电路。在所述衰减元件的这种第一实施方式中，可将每个 用作衰减元件的无电抗电阻器换成两个反向并联的二极管。这种解决方案的优点在于， 即使在滤波器电流较小的情况下，这些反向并联二极管上就已经发生程度可观的电压 降。借此可以使激励刚产生时就受到衰减。当激励程度继续增大时，只会发生线性的损 失增加，而不再是像以无电抗电阻器为衰减元件时那样的二次方级别的增加。
根据一种替代实施方式，所述衰减元件采用一 6脉冲二极管桥接电路，所述6脉 冲二极管桥接电路的直流电压侧接点通过一短路电流路径彼此导电相连。这种替代实施 方式在效果上与上述第一实施方式没有区别。但这种替代实施方式的优点是，这些相接 成一个6脉冲桥接电路的二极管可以采用市场上有售的六件装模块。这种模块可使二极 管得到非常有效的冷却。
根据本发明有损耗三相低通滤波器上述替代实施方式的一种有利实施方式，所 述二极管的6脉冲桥接电路的直流电压侧短路电流路径中布置有一衰减元件，该衰减元 件特定而言为一无电抗电阻器。通过在所述直流电压侧短路电流路径中布置这个衰减元 件，所述衰减元件的衰减效果的强化程度将会与所述无电抗电阻器的值相关。
根据本发明有损耗三相低通滤波器上述替代实施方式的另一有利实施方式，所 述二极管的6脉冲桥接电路的直流电压侧短路电流路径中的衰减元件采用一用电设备， 该用电设备特定而言为一风扇。在此情况下，所产生的衰减能量不会转化为热量后散发 到周围空气中，而是被加以有益利用。如果设一风扇作为所述用电设备，就可以用这个 风扇来对所述有损耗三相低通滤波器和/或输出端上连接有所述有损耗低通滤波器的变 频器的换流阀进行冷却。
根据本发明有损耗三相低通滤波器上述替代实施方式的另一有利实施方式，采 用一开关电源作为所述二极管的6脉冲桥接电路的短路电流路径中用作衰减元件的用电 设备，该开关电源可将所产生的衰减能量回收到输出端上连接有所述有损耗低通滤波器 的变频器的中间电路中。通过将所述开关电源用作所述二极管的6脉冲桥接电路的直流 电压侧短路电流路径的用电设备以作为所述低通滤波器的衰减元件，可将所述桥接电路 的输出电压调节至一预定值。借此可以设定符合要求的衰减效果。
根据本发明有损耗三相低通滤波器上述替代实施方式的另一有利实施方式，所 述二极管的6脉冲桥接电路上游连接有一用作所述低通滤波器的衰减元件的滤波器，该 滤波器特定而言为一带阻滤波器。借此可将所述6脉冲二极管桥接电路中的电流限制在 处于所述低通滤波器的谐振频率范围内的频率分量上。其优点是，所述有损耗低通滤波4器的电容器电流中只有那些会引发谐振的频率分量才会受到衰减。借此可大幅降低所述 6脉冲二极管桥接电路中的二极管的电流负荷，这样就可以使用电流负荷相对较小的二极 管。借此不仅可减小所述衰减元件的所需空间，还可降低其成本。
下文将借助附图所示的本发明有损耗三相低通滤波器的几种实施方式对本发明 予以进一步说明。
图1为一包括已知正弦输出滤波器的变频器的部分电路图2为一包括已知有损耗正弦输出滤波器的变频器的部分电路图3为本发明有损耗三相低通滤波器的第一实施方式，用作变频器的正弦输出 滤波器；
图4为本发明有损耗三相低通滤波器的一种替代实施方式；以及
图5至图8均为本发明低通滤波器如图4所示的替代实施方式的有利实施方式。
具体实施方式
图3展示的是本发明有损耗三相低通滤波器34的第一实施方式。这个有损耗三 相低通滤波器34的输入端同样与一变频器的负载侧换流器2的输出端接点12、14和16 相连。这个低通滤波器34的输出端子22、对和沈上连接有三相负载观。本发明有损 耗三相低通滤波器34的这种实施方式与已知有损耗三相低通滤波器30如图2所示的实施 方式之间的区别在于，每个衰减元件32均采用两个反向并联的二极管36和38，而不是 使用一个无电抗电阻器。通过将反向并联的二极管36和38用作衰减元件32，当滤波器 电流还比较小时就已经能产生程度可观的衰减效果。与将电阻器用作衰减元件32的已知 实施方式一样，衰减效果仍与电流相关，但损失大小与激励程度之间是线性关系，而不 再是像以电阻器为衰减元件32时那样的二次方关系。滤波器34的损耗功率减少就意味 着滤波器34的元件冷却需求降低。此外这也能使有损耗低通滤波器34的结构变得更紧 凑。也就是说，本发明的这种滤波器34在变频器中的安装相对更方便。
图4展示的是本发明有损耗三相低通滤波器34的一种替代实施方式。这种替代 实施方式同样是将每个衰减元件32实施为两个二极管36和38，但与图3所示实施方式不 同的是，这两个二极管不是反向并联。在本发明有损耗三相低通滤波器34的这种替代实 施方式中，这些二极管36和38电性串联。如果本发明的滤波器34实施为三相，这样就 会产生三个串联电路，这些串联电路在直流电压侧电性并联。这个并联电路的两个接点 40和42通过一个短路电流路径44彼此导电相连。这个由三个各包括两个二极管36和 38的串联电路构成的并联电路相当于一个6脉冲桥接电路，特别是直流电压侧接点40和 42被直流电压线短接的6脉冲二极管整流器。这种替代实施方式在效果上与本发明滤波 器34如图3所示的实施方式相当。其优点在于，三相有损耗低通滤波器34的衰减元件 32可以采用市场上有售的六件装二极管模块。这种模块比单个式二极管的占用空间小。 另外，这种六件装模块中的二极管冷却效率更好，模块的安装也很方便。
图5展示的是本发明三相有损耗低通滤波器34上述替代实施方式的有利实施方 式。这种有利实施方式与图4所示实施方式之间的区别在于，上述6脉冲二极管桥接电路的两个接点40和42之间的短路电流路径44中布置有一衰减元件。在本实施方式中， 该衰减元件采用的是无电抗电阻器46，这个电阻器与电容器48电性并联。通过将电阻器 46用作所述6脉冲二极管桥接电路的短路电流路径44的衰减元件，可以使有损耗三相低 通滤波器34的衰减元件32的衰减效果大幅上升。电容器48对所述6脉冲二极管桥接电 路的接点40和42上的电压Ul进行滤波和限制。因此，电容器48又可称作“滤波电容Rg ”'ΠΒ' ο
根据本发明有损耗三相低通滤波器34如图4所示的替代实施方式的另一有利实 施方式，所述6脉冲二极管桥接电路的短路电流路径44中的衰减元件采用用电设备50， 该用电设备特定而言为一风扇。在此情况下，有损耗三相低通滤波器34的损耗功率不会 转化为热量后散发到周围空气中，而是用于驱动风扇。也就是说，对这部分损耗功率加 以有益利用。强制冷却时导散损耗功率需要使用风扇，且需要为该风扇提供供电电压。 这部分供电电压由变频器或供电电网提供。在这个有利实施方式中，这部分供电电压来 自于有损耗低通滤波器34的衰减元件32的损耗功率。
图7展示的是本发明有损耗三相低通滤波器34如图4所示的替代实施方式的另 一有利实施方式。这种有利实施方式与图6所示的有利实施方式之间的区别在于，在所 述6脉冲二极管桥接电路的短路电流路径44中用作衰减元件的用电设备50采用的是开关 电源。这个开关电源的每个输出端52和M均分别与一变频器的负载侧换流器2的一个 直流电压侧接点56和58相连，有损耗三相低通滤波器34连接在该变频器的输出端接点 12、14和16上。通过将一开关电源用作用电设备50以作为所述6脉冲二极管桥接电路 的短路电流路径44的衰减元件，可将衰减能量回收到该变频器的中间电路6中。
此外还可对在滤波电容器48上发生下降的输入电压Ul进行调节。一种简单的 方法是为所述开关电源的这个输入电压Ul规定一个预定值。如果滤波电容器20中的激 励电流较小并且使得滤波器激励强度也较小，那么就回收较少的衰减能量。如果滤波器 电流和滤波器激励强度都较大，就回收较多能量。在此情况下，通过本发明有损耗三相 低通滤波器34如图4所示的替代实施方式的这种有利实施方式就可以选择性地设定所需 要的衰减效果。
所述开关电源可采用任何一种已知的拓扑结构。由于该开关电源的输入电压Ul 与该变频器的中间电路电压Uzw之间的电压差一般都很大，因此使用隔离电位的开关电 源将特别有利。
图8展示的是本发明有损耗三相低通滤波器34如图4所示的替代实施方式的另 一有利实施方式。这种实施方式与图7所示实施方式之间的区别在于，所述6脉冲二极 管桥接电路上游连接有一滤波器60。滤波器60采用的是带阻滤波器。这个带阻滤波器 60分别具有一个滤波电容器62和一个滤波电感64，二者电性并联。这三个并联电路采 用三角形接法。作为替代方案，也可采用星形接法。该带阻滤波器60的接点66、68和 70与每个由两个二极管36和38构成的串联电路的交流电压侧接点72、74和76分别导电 相连，有损耗三相低通滤波器34的每个滤波电容器20的接点也分别连接在这些接点上。 这个带阻滤波器60的作用是将所述6脉冲二极管桥接电路中的电流限制在处于低通滤波 器34的谐振频率范围内的频率分量上。其优点是，该电流中只有那些会引发谐振的频率 分量才会受到低通滤波器34的滤波电容器20的衰减作用。借此可大幅降低所述6脉冲二极管桥接电路每个二极管36和38的电流负荷，这样就可以使用电流负荷相对较小的二 极管或六件装二极管模块。这种二极管或这种六件装二极管模块不仅成本更低，在损耗 功率的导散方面也更方便。
图7和图8所示实施方式中在滤波电容器48上发生下降的电压Ul还可用作保护 功能的输入变量。当这个电压Ul的值超过一个预定的容许极限值时，可据此推断出流经 有损耗三相低通滤波器34的滤波电容器20的电流已经大到超过了容许极限。当这种超 过极限值的情况发生时，输出端12、14和16上连接有所述有损耗三相低通滤波器34的 变流器就会被保护性断路。
通过用两个二极管36和38代替一个无电抗电阻器来作为有损耗三相低通滤波器 34的每个衰减元件32，可以大幅减少该有损耗三相低通滤波器34的损耗功率，同时又不 会削弱其衰减效果。此外还存在进一步强化有损耗三相低通滤波器34的衰减元件32的 衰减效果的可能性。
权利要求
1.一种有损耗三相低通滤波器(34)，其每相各包括一滤波电感(18)、一滤波电容器 (20)和一衰减元件(32)，其中，每个滤波电容器(20)均分别与一衰减元件(32)电性串 联，且所述这些串联电路采用电性星形接法，其特征在于，所述每个衰减元件(32)均采用两个二极管(36，38)，所述二极管电性反向并联。
2.—种有损耗三相低通滤波器(34)，其每相各包括一滤波电感(18)和一滤波电容 器(20)，此外还包括一衰减元件，其中，每个滤波电容器(20)均与所述衰减元件电性串 联，其特征在于，所述衰减元件采用一 6脉冲二极管桥接电路，所述二极管桥接电路的直流电压侧接 点(40，42)通过一短路电流路径(44)彼此导电相连。
3.根据权利要求2所述的有损耗三相低通滤波器(34)，其特征在于， 所述短路电流路径(44)中布置有一衰减元件(46，50)。
4.根据权利要求3所述的有损耗三相低通滤波器(34)，其特征在于， 所述衰减元件(46，50)与一电容器(48)电性并联。
5.根据权利要求3所述的有损耗三相低通滤波器(34)，其特征在于， 所述衰减元件(46，50)采用一无电抗电阻器(46)。
6.根据权利要求3所述的有损耗三相低通滤波器(34)，其特征在于， 所述衰减元件(46，50)采用一用电设备(50)。
7.根据权利要求6所述的有损耗三相低通滤波器(34)，其特征在于， 所述用电设备(50)采用一风扇。
8.根据权利要求6所述的有损耗三相低通滤波器(34)，其特征在于，所述用电设备(50)的每个输出端均分别与一负载侧换流器(2)的一个直流电压侧接 点(56，58)相连，所述低通滤波器(34)连接在所述换流器的交流电压侧接点(12，14， 16)上。
9.根据权利要求8所述的有损耗三相低通滤波器(34)，其特征在于， 所述用电设备(50)采用一开关电源。
10.根据权利要求2至9中任一项权利要求所述的有损耗三相低通滤波器(34)，其特 征在于，所述二极管桥接电路上游连接有一滤波器(60)。
11.根据权利要求10所述的有损耗三相低通滤波器(34)，其特征在于， 所述滤波器(60)采用一带阻滤波器。
全文摘要
本发明涉及一种有损耗三相低通滤波器(34)，其每相各包括一滤波电感(18)、一滤波电容器(20)和一衰减元件(32)，其中，每个滤波电容器(20)均分别与一衰减元件(32)电性串联。根据本发明，所述衰减元件采用两个二极管(36，38)，所述二极管电性反向并联。由此可获得一种损耗功率大幅减少但衰减效果无任何下降的有损耗三相低通滤波器(34)。
文档编号H03H1/00GK102027677SQ200980117166
公开日2011年4月20日 申请日期2009年4月1日 优先权日2008年6月5日
发明者本诺·魏斯, 胡贝特·席尔林 申请人:西门子公司