正弦波濾波器的原理及應用，LC濾波器與LCL濾波器的區別？

科普小貼士：LC濾波器（正弦波濾波器）與LCL濾波器的區別
LC濾波器（正弦波濾波器）：由串聯電抗L和并聯電容C構成。
LCL濾波器：是指濾波器的一種結構形式，頭部是一組電感在串聯，中間部分是并聯的安規電容，尾部又串聯了一組電感上去。

通常電流源的逆變器會使用LCL濾波器，電壓源的逆變器會使用LC濾波器。原因是電流源逆變器一般都是與電網相連接，如果使用LC濾波器就會為電網注入開關次諧波，當然這是在電網很強的情況下，如果電網就弱，即系統阻抗較大，其實使用LC濾波器也是沒有問題的。

但LCL濾波器存在挺煩人的問題，首先LCL存在兩個諧振點，控制參數沒有設計好會發生諧振，其次如果系統較弱，背景諧波電壓會通過系統阻抗與LCL濾波器的C發生諧振，所以一般都會在C上串一個電阻，如果不串電阻要檢測C上電流，做反饋，也就是虛擬阻抗的方法。

那么電壓源逆變器為什么只使用LC呢，因為電壓源逆變器一般不與電網連接，直接為負荷供電，比如UPS，這時只要電壓紋波系數小于一定值就可以了，即負荷能承受了，這樣就可以省去一組L。如果電壓源逆變器非要使用LCL也是沒有問題的。


變頻器使用過程中受輸出PWM電壓波形、IGBT特性及電纜長度等相關因素的影響，對電動機絕緣會造成一定程度的損傷，使用正弦波濾波器可以有效地解決這一問題。本文詳細介紹了正弦波濾波器的工作原理并給出了應用案例。


作為三相異步電動機的調速方案，變頻器除了具有卓越的調速性能之外，還能有效地節能降損，提高生產率和產品質量，已經成為現代工業生產中不可或缺的設備。


變頻器帶來種種利益的同時也產生了很多問題，其中明顯的就是損傷所驅動的電動機，包括電動機絕緣的頻繁擊穿和損害電動機軸承，這些都是由變頻器工作過程中需要將直流電壓轉變成PWM 電壓導致的。本文將針對這些問題作出詳細分析并給出有效解決方案。
 
變頻器損傷電動機絕緣的原因變頻器對電動機絕緣的損傷主要是由于變頻器在電動機端產生過高的電壓所致。變頻器輸出的驅動電壓波形為 PWM 電壓波形，該波形經過電纜傳輸后容易產生過沖電壓，通常電纜越長產生的過沖電壓越大，電纜足夠長時過沖電壓甚至達到輸出PWM電壓的2倍以上，過沖電壓加在電動機的定子線圈上，對線圈造成電壓沖擊，頻繁的過電壓沖擊會對電動機繞組的絕緣產生不良影響甚至會損壞電動機繞組絕緣。除此之外，變頻器輸出PWM脈沖上升沿時間長短、載波頻率高低均會對過沖電壓產生影響，從而影響電動機絕緣的壽命。


正弦波濾波器原理及設計
導致電動機絕緣損壞的根本原因是PWM電壓波形在電動機端產生的過沖電壓，因此很容易想到如果將變頻器輸出端的PWM波形轉變成驅動電動機的理想波形--正弦波，就可以解決問題了。正弦波濾波器的作用就是將PWM波形轉變成正弦波，電纜上傳輸的是正弦波，和傳統的電動機工作方式一樣，無論電纜多長，都不會產生過沖電壓。


1、正弦波濾波器原理
如圖1所示正弦波濾波器由串聯電抗L和并聯電容C構成。


假設變頻器輸出電壓為U1，經過LC正弦波濾波器后變為U0，則A=U0/U1=1/[1+(2ππ）2LC]
因此截止頻率f=1/（2πLC）。
如果變頻器的載波頻率為fc，則輸出的PWM波形中除了基波外，還含有豐富的諧波，頻率為fc的整數倍（主要是fc、2fc及3f）。選取適當的截止頻率，就可以將輸出PWM波形中的大部分諧波濾除，是的U0近似為正弦波。圖2為在平臺下的仿真波形。


2、正弦波濾波器參數設計
正弦波濾波器的電抗和電容必須和電動機的容量精確匹配，否則達不到預期的效果。對于濾波電抗，增大電抗值可以降低輸出電壓的畸變率，但是當帶載情況不變時增大電抗值無益會降低輸出電壓，甚至會出現拖不動電動機的情況。增大電容值同樣可以提高輸出電壓質量，但是輸出電壓也會有所降低，并且成本也會相應增加。因此必須尋求平衡點，既能滿足濾波要求又能降低成本。
以額定功率315kW、功率因數0.8的電動機為例，額定工作情況下電流為：


為保證濾波器電抗正常工作，通常留10%左右的電流余量。為保障電動機工作，額定工作條件下壓降不應太大，去10%。電容值的選擇與電抗值和變頻器的載波頻率相關。





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