鲁晓辉，张全柱，邓永红，江 淮，马 娜

(1.安徽理工大学，安徽淮南 232001;2.华北科技学院信息与控制技术研究所，北京东燕郊 065201)

0 引言

采用PWM技术的电压源逆变器广泛应用于如采煤机牵引电机的变频调速装置中，由于PWM调制本身的特性，使得输出电压中含有较多的高次谐波。采煤机牵引电机对输入电压的波形质量要求较高，变频器输出电压中的高次谐波会使电机发热加剧、损耗增加、效率和功率因数降低，并产生电磁噪声;较多的谐波还会使牵引电机产生转矩的脉动，电机转速波动比较大，使采煤机的运行不稳定，影响工作面采煤效率，并对采煤机整体造成危害。所以，必须采取一定的措施减小输出电压的谐波，使输出电压符合交流异步电机的运行要求。

为了降低变频器输出电压的谐波含量，研究了变频器输出电压的波形特性，并设计了LC低通滤波电路。在设计LC滤波器时，首先要考虑滤波器的截止频率，通过对滤波器截止频率的合理选取，可以在消除逆变器输出电压信号中高于截止频率的大多数谐波的同时又不会引起系统的谐振。除了截止频率，还要考虑滤波器的功率容量、体积等要素对逆变器的功率密度、重量、性价比等指标的影响［1］。本文主要从减小滤波器功耗和降低输出电压的谐波的角度，对LC滤波电路进行研究设计，并进行了实验研究。

1 牵引变频器实验样机

本文采用的6 kW的实验牵引变频器样机是针对采煤机牵引电机互馈试验台而研制的变频器，它主要是用作拖动5.5 kW的交流异步电机。本样机采用矢量控制策略对电机进行控制，实现了对电机转矩和磁通的解耦，这种控制方式的控制精度高，低速启动时的启动转矩大，非常适合对于采煤机牵引电机这样的在重载环境下运行的电机。

变频器样机的调速范围1∶1 000，速度控制精度±0.02%，频率精度可达±0.01%，输出频率分辨率可达0.01 Hz，可实现全领域直流刹车，零位伺服功能，转矩追踪。加减速时间可设定0.01～600 s，动态相应好，负载适应性强。具有滑差补偿，转矩补偿，速度控制(ASR)，键盘数据复制，静音控制等功能。键盘数据的复制功能，大大简化了多机调试的繁琐工作量。在全功率范围内，可四象限运行，IGBT全功率能量回馈，输入功率因数高。

2 LC滤波器参数设计

根据前述对牵引变频器的介绍，本小节对变频器输出电压做滤波处理，在变频器的三相输出回路中串联LC滤波电路，如图1所示。

LC滤波器由三相滤波电抗Lf和三相滤波电容Cf构成。滤波器的性能主要由Lf和Cf之间的截止频率决定，LC的截止频率为

图1 牵引变频器及LC滤波电路的基本结构

为了使输出电压更接近正弦波，同时还要避免谐振，滤波器的截止频率要远小于PWM电压中所含的最低次谐波频率，同时要远大于基波频率，因此，滤波电路截止频率必须满足如下关系［2－4］:

其中，f1为基波频率，fs为PWM载波频率。

为了能够简化计算输出滤波电路的参数，根据交流三相系统的对称性，将逆变器的输出端和滤波电路简化成单相等效电路，如图2所示［5－6］。

图2 滤波电路单相等效电路

图2中，Ui为逆变器输出相电压，Is为电感电流，Io为输出相电流，Ic为电容电流，Uo为负载相电压;Lf和Cf为等效单相电感和电容。

讨论滤波器的截止频率范围之后，选择合适的谐振频率点，在计算LC滤波参数的时候，本文参考了文献［7］的研究成果，得到了滤波电路的电感值计算公式为:

同时，再结合选定的截止频率，可以得到 Cf的值［7］。

3 实验研究

搭建6 kW煤机牵引变频器样机实验平台，拖动一台YT112M—4型4 kW的异步交流电动机，通过自行设计的牵引变频器输出电参量检测电路模块检测输出的电压和电流波形，并对电机的磁链进行测量。

通过对比有无滤波电路情况下的输出波形，分析滤波电路对变频器输出电压电流波形的影响。

本文采用LEM公司生产的霍尔电压传感器对经过滤波后的变频器输出电压进行检测，其检测电路原理图如图3所示。电压通过电阻R10和R11输入到LEM传感器中，再经过两级运放，采用示波器常压探头即可检测出滤波电路的输出电压［8］。通过比较图4与图5，我们可以看出，在有滤波电路的情况下输出的电压波形有很好的正弦度，消除了大部分谐波，并且电压纹波也很少，基本符合牵引电机的运行电压输入的要求。

同时，利用LT58－S7/SP8电流传感器设计的检测电路检测有无滤波电路情况下的牵引变频器输出电流波形，如图6和图7所示，比较输出电流的波形情况，可以看出滤波电路对输出信号有着很好的消除谐波的作用。

图8所示的是检测电路测量出的牵引电机的磁链圆的波形。从波形图可以看出，在滤除电机输入电压的谐波后，电机磁链已接近正圆形状，可见在加装滤波电路后，电机具有良好的运行状态。

下图所示的是对50 Hz的输出频率下的输出电压电流参数以及磁链的检测，比较了滤波前后的输出电压电流波形，并给出了滤波后的电机运行磁链波形。

图3 电压及磁链检测电路原理图

图4 滤波前的变频器输出电压波形

图5 滤波后的变频器输出电压波形

图6 未加滤波器检测板检测电流波形

图7 加滤波器检测板检测电流波形

图8 滤波后检测的电机磁链波形

4 结论

本文在总体的低无功损耗以及提高输出电压的正弦度的设计要求下，设计滤波电路并应用于6 kW采煤机牵引变频器样机，经滤波后的输出电压提供给交流异步电机，模拟采煤机牵引电机的运行情况，得到了较好的输出结果。在理论分析和实验验证的基础上，证明了该设计的可行性和一定的工程价值。

［1］ 李立毅，谭广军，刘家曦，等.抑制高速电机电流谐波的LC滤波电路设计［J］.微电机，2013，46(7):38－44.

［2］ 王兆安，刘进军.电力电子技术(第五版)［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［3］ 张振，刘怀霞，张永庭.矿井带式输送机三电平直接转矩控制系统的研究［J］.煤矿机械，2010，31(01):152－154.

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［7］ 俞杨威，金天均，谢文涛，等.基于PWM逆变器的LC滤波器［J］. 机电工程，2007，24(5):50－52.

［8］ 张全柱，赵立永，朱雄.采煤机牵引变频器输出电参数测量平台的实现［A］.煤矿自动化与信息化//第21届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨第3届中国煤矿信息化与自动化高层论坛论文集(上册)［C］.2011.