正弦波滤波器的原理及应用，LC滤波器与LCL滤波器的区别？

科普小贴士：LC滤波器（正弦波滤波器）与LCL滤波器的区别
LC滤波器（正弦波滤波器）：由串联电抗L和并联电容C构成。
LCL滤波器：是指滤波器的一种结构形式，头部是一组电感在串联，中间部分是并联的安规电容，尾部又串联了一组电感上去。

通常电流源的逆变器会使用LCL滤波器，电压源的逆变器会使用LC滤波器。原因是电流源逆变器一般都是与电网相连接，如果使用LC滤波器就会为电网注入开关次谐波，当然这是在电网很强的情况下，如果电网就弱，即系统阻抗较大，其实使用LC滤波器也是没有问题的。

但LCL滤波器存在挺烦人的问题，首先LCL存在两个谐振点，控制参数没有设计好会发生谐振，其次如果系统较弱，背景谐波电压会通过系统阻抗与LCL滤波器的C发生谐振，所以一般都会在C上串一个电阻，如果不串电阻要检测C上电流，做反馈，也就是虚拟阻抗的方法。

那么电压源逆变器为什么只使用LC呢，因为电压源逆变器一般不与电网连接，直接为负荷供电，比如UPS，这时只要电压纹波系数小于一定值就可以了，即负荷能承受了，这样就可以省去一组L。如果电压源逆变器非要使用LCL也是没有问题的。


变频器使用过程中受输出PWM电压波形、IGBT特性及电缆长度等相关因素的影响，对电动机绝缘会造成一定程度的损伤，使用正弦波滤波器可以有效地解决这一问题。本文详细介绍了正弦波滤波器的工作原理并给出了应用案例。


作为三相异步电动机的调速方案，变频器除了具有卓越的调速性能之外，还能有效地节能降损，提高生产率和产品质量，已经成为现代工业生产中不可或缺的设备。


变频器带来种种利益的同时也产生了很多问题，其中明显的就是损伤所驱动的电动机，包括电动机绝缘的频繁击穿和损害电动机轴承，这些都是由变频器工作过程中需要将直流电压转变成PWM 电压导致的。本文将针对这些问题作出详细分析并给出有效解决方案。
 
变频器损伤电动机绝缘的原因变频器对电动机绝缘的损伤主要是由于变频器在电动机端产生过高的电压所致。变频器输出的驱动电压波形为 PWM 电压波形，该波形经过电缆传输后容易产生过冲电压，通常电缆越长产生的过冲电压越大，电缆足够长时过冲电压甚至达到输出PWM电压的2倍以上，过冲电压加在电动机的定子线圈上，对线圈造成电压冲击，频繁的过电压冲击会对电动机绕组的绝缘产生不良影响甚至会损坏电动机绕组绝缘。除此之外，变频器输出PWM脉冲上升沿时间长短、载波频率高低均会对过冲电压产生影响，从而影响电动机绝缘的寿命。


正弦波滤波器原理及设计
导致电动机绝缘损坏的根本原因是PWM电压波形在电动机端产生的过冲电压，因此很容易想到如果将变频器输出端的PWM波形转变成驱动电动机的理想波形--正弦波，就可以解决问题了。正弦波滤波器的作用就是将PWM波形转变成正弦波，电缆上传输的是正弦波，和传统的电动机工作方式一样，无论电缆多长，都不会产生过冲电压。


1、正弦波滤波器原理
如图1所示正弦波滤波器由串联电抗L和并联电容C构成。


假设变频器输出电压为U1，经过LC正弦波滤波器后变为U0，则A=U0/U1=1/[1+(2ππ）2LC]
因此截止频率f=1/（2πLC）。
如果变频器的载波频率为fc，则输出的PWM波形中除了基波外，还含有丰富的谐波，频率为fc的整数倍（主要是fc、2fc及3f）。选取适当的截止频率，就可以将输出PWM波形中的大部分谐波滤除，是的U0近似为正弦波。图2为在平台下的仿真波形。


2、正弦波滤波器参数设计
正弦波滤波器的电抗和电容必须和电动机的容量精确匹配，否则达不到预期的效果。对于滤波电抗，增大电抗值可以降低输出电压的畸变率，但是当带载情况不变时增大电抗值无益会降低输出电压，甚至会出现拖不动电动机的情况。增大电容值同样可以提高输出电压质量，但是输出电压也会有所降低，并且成本也会相应增加。因此必须寻求平衡点，既能满足滤波要求又能降低成本。
以额定功率315kW、功率因数0.8的电动机为例，额定工作情况下电流为：


为保证滤波器电抗正常工作，通常留10%左右的电流余量。为保障电动机工作，额定工作条件下压降不应太大，去10%。电容值的选择与电抗值和变频器的载波频率相关。





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