XX电气产品股份有限公司关于XX集团XX矿业分公司加装井下正弦波滤波器现场运行的报告（2023年）.doc

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关于XX集团XX矿业分公司加装井下正弦波滤波器现场运行的报告

1、系统概述

暗立井提升机为变频调速系统。此变频调速系统由3套单相变频器星接组成。输出线电压2300VAC，直流母线电压2000VDC，基波频率为0-50Hz，载波频率经现场测试约为1.5kHz左右。电机经变频器驱动后定子温度比较高约为70℃左右，电机高频振动和噪音较大。为解决上述问题，提出加装正弦波滤波器。

图1暗立井电控系统

图2变频柜

2、正弦波滤波器介绍

2.1变频器输出PWM波对电机的影响

基于变频器的交流电机变频调速系统以其高效节能、精准控制转矩和转速、易于实现数字化控制等优势得到广泛应用。同时由于变频器驱动电机的电压不是正弦波电压，而是脉冲宽度调制PWM电压，PWM的固有特性也带来一些问题：

2.1.1PWM脉冲所含的高次谐波使电机过热，产生机械振动和噪音；变频器驱动电机的电压波形并不是正弦波电压，而是脉宽调制（PWM）电压，如图3所示。根据傅里叶分析，这种波形中包含了丰富的高频成份，主要频率成分是PWM脉冲的重复频率，及其整倍数的频率，PWM脉冲的重复频率这叫做变频器的载波频率。不同的变频器的载波频率不同，一般为1~12kHz。对于载波频率为1kHz的PWM电压，流入电机的电流主要是1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、5kHz，等频率的电流。这些高频电流会增加电机绕组损耗和铁心损耗。理论分析表明，绕组的损耗与频率的平方根成正比，铁心的损耗与频率的平方成正比，因此，当电机中流过这样高频的电流时，铁心的损耗急剧增加，导致过热。

图3变频器驱动电机的电压波形及傅里叶分析

2.1.2过高的dv/dt经过长电缆反射产生过电压，使电机绝缘老化甚至击穿；当将PWM电压施加到电机上时，会在电机的绕组上产生尖峰电压，尖峰电压的幅度最大可以达到直流母线电压的2倍，如图4所示。过高的尖峰电压加在电机定子的线圈上，对线圈造成电压冲击，频繁的尖峰电压冲击会导致电机过早失效，如图4所示。

4变频器在电机端产生的尖峰电压

图5变频器对电机轴承的损伤

2.1.3轴承损伤的严重程度与轴承电流大小成正比。理论研究与实验都表明，变频器驱动电机的电压越高，轴承电流越严重；变频器输出电压的基波频率越低，轴承电流越严重，变频器的载波频率越高，轴承电流越严重。

2.1.4变频器与电机之间的电缆较长，这会在电机的电源输入端产生了尖峰电压。由于尖峰电压的幅度更高，因此，会导致更加严重的轴承电流。当电缆较长时，如果不采取尖峰电压抑制措施，会加剧轴承电流现象。

2.2解决PWM波对电机的危害主要有以下几种方式：

2.2.1选用绝缘耐压等级比较高的变频电机

2.2.2在变频器输出加装DVF滤波器，滤除较高频率的谐波，减缓PWM电压的上升沿和下降沿，可以使电机端承受的尖峰电压降低，使电机轴承上的共模电流降低。能够解决绕组绝缘击穿和烧轴承的问题。

2.2.3在变频器输出加装尖峰电压吸收器，把过高的电压尖峰吸收掉，能够解决电机绕组绝缘击穿的问题。

2.2.4在变频器输出加装SWF正弦波滤波器，滤除PWM中有害的高频成分，只保留驱动电机的基波电压，也就是把PWM波转换为传统的正弦波，能够有效解决上述所有问题。

表1各种电机保护措施的比较

设备名称

保护定子绕组

保护轴承

主要缺点

安装位置

价格

电抗器

有时可以

不能

效果不稳定

变频器输出端

较低

DVF滤波器

电缆长度小于300米时，效果很好

不能

大功率电机时，体积较大，价格较高

变频器输出端

中

SWF滤波器

可以，电缆长度无限制

有一定效果

体积大、价格高

变频器输出端

高

SVA尖峰电压吸收器

电缆长度小于300米时，效果很好

可以

只能安装在电机端

电机端

低

2.3正弦波滤波器

2.3.1正弦波滤波器为无源低通滤波器，滤除PWM波中的高频成分，将变频器输出的PWM脉冲波转换为标准正弦波电压，达到保护电机、延长使用寿命的目的。

2.3.2正弦波滤波器的拓扑结构为LC低通滤波器，如图6所示。截止频率为650Hz，对于2kHz以上的高频谐波衰减10%以上。

图6RLC低通滤波器单相等效电路

图7LC阻抗曲线

图8RLC滤波器幅频特性曲线

正弦波滤波器特点：

正弦波滤波器的电抗器铁芯采用非晶材料制造，对比普通的硅钢片型电抗器，有效降低铁芯损耗和发热；电抗器绕组采用铜箔分段绕制，有效减小了分步电容对滤波效果的影响，显著提高了电抗器在高频下的特性。电容器采用耐过流且高频特性较好的电焊机电容，小电容的并联方式也最大减小了引线间的寄生电感，显著提高了电容器的高频特性。

以上的细节设计使我们的正弦波对比其它厂家的同