基于高通滤波器的变频器输出侧共模电压测试方法

摘要

本发明公开了一种基于高通滤波器的变频器输出侧共模电压测试方法，其使用高通滤波器辅助测试，可以抑制被测试信号在开关频率附近的高幅值，从而保证测试设备的安全。此外，由于测试设备的幅值最小分度值往往和测量范围成正比，抑制了开关频率的高幅值，可降低对测试设备的幅值测量范围的要求，从而提高测试的分辨能力，使得幅值较低的高频成分能够被测试设备测得。故相比于传统的使用电容和示波器的测试方法，本发明通过安装高通滤波器来测试共模电压，利用EMI接收机获得共模电压的频谱，本测试方法能在较大的频率范围内准确地测量变频器输出侧共模电压。

权利要求

1.一种基于高通滤波器的变频器输出侧共模电压测试方法，包括如下步骤：(1)构造用于共模电压测试的高通滤波器，该高通滤波器包括三个输出侧电容、两个直流母线电容以及一个测试电阻，三个输出侧电容以Y型连接，两个直流母线电容串联连接，测试电阻的一端与三个输出侧电容Y型连接的中性点相连，测试电阻的另一端与两个直流母线电容的串联接点相连；

(2)测量所述高通滤波器的衰减比η的频谱：首先，将三个输出侧电容并联，将两个直流母线电容并联；然后，在悬空的两个连接点上输入一个正弦电压信号并记录该信号的频率和幅值Ui，同时检测高通滤波器中测试电阻两端的电压幅值Uo，则Ui/Uo即为高通滤波器在该信号频率下的衰减比η；连续改变输入的正弦电压信号的频率，通过测量Ui和Uo，计算各个频率下的衰减比η，从而得到高通滤波器衰减比η的频谱；

(3)将所述高通滤波器安装至变频器上，利用电压探头和EMI接收机测量测试电阻两端的电压UPO的频谱，并补偿高通滤波器的衰减比η的频谱，从而得到变频器输出侧共模电压的频谱。

2.根据权利要求1所述的变频器输出侧共模电压测试方法，其特征在于：所述测试电阻的阻值R满足以下关系式：ZM＜＜R＜＜ZVP

其中：ZM为变频器所连电机的阻抗，ZVP为电压探头的输入阻抗。

3.根据权利要求1所述的变频器输出侧共模电压测试方法，其特征在于：所述输出侧电容的容值C满足以下关系式：其中：R为测试电阻的阻值，fh为变频器输出侧共模电压高频成分的频率，fswitch为变频器逆变单元中功率开关器件的开关频率。

4.根据权利要求1所述的变频器输出侧共模电压测试方法，其特征在于：所述直流母线电容的容值Cdc满足以下关系式：Cdc>>C

其中：C为输出侧电容的容值。

5.根据权利要求1所述的变频器输出侧共模电压测试方法，其特征在于：所述步骤(3)中将高通滤波器安装至变频器上，即将三个输出侧电容分别与变频器三相输出端子连接，将两个直流母线电容分别与变频器中正负极直流母线相连接。

6.根据权利要求1所述的变频器输出侧共模电压测试方法，其特征在于：所述步骤(3)中变频器输出侧共模电压的频谱等于电压UPO的频谱加上20lnη。

说明书

基于高通滤波器的变频器输出侧共模电压测试方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力电子电磁兼容测试技术领域，具体涉及一种基于高通滤波器的变频器输出侧共模电压测试方法。

背景技术

[0002] 变频器因其优良的调速性能和显著的节能效果，被广泛应用于冶金、机械、石油、交通运输等领域，产生了显著的经济效益。然而，由于变频器内部的开关器件处于高速开关状态，变频器存在着严重的电磁干扰(EMI)问题，影响着变频器的安全稳定运行，同时也会对邻近设备、供电网络造成威胁。

[0003] 由于变频器使用了的脉冲宽度调制技术，变频器输出的电压三相不对称，从而产生共模电压，共模电压作用在变频驱动系统内部的寄生电容，会产生共模电流，并在系统中传播。共模电流会流经轴承并转化为轴电流，造成轴承电腐蚀，危害轴承寿命。此外，由于共模电流传播途径包含具有单极性天线作用的接地回路线，共模干扰会以近场辐射的形式影响邻近设备的正常工作，并且共模干扰会通过系统的接地回路流入电网，影响电网的稳定。

[0004] 随着变频器的快速发展，共模干扰问题日益突出，如何消除和抑制共模干扰已经成为了当前学术界和工业界的研究热点。目前变频器输出侧共模电压的测试方法，主要利用电容器构成测试辅助电路，通过差分探头和示波器测量共模电压的时域波形，随后使用数学软件进行快速傅立叶，最终得到共模电压的频谱。在频率较高时，共模电压的幅值往往很小，受制于差分探头和示波器的测量精度，在频率较高时，这种方法无法得到有效的共模电压。因此，研究变频器输出侧共模电压的测试方法具有重要意义。

发明内容

[0005] 鉴于上述，本发明提供了一种基于高通滤波器的变频器输出侧共模电压测试方法，该方法简便易行，测量的频率范围广，且精度高。

[0006] 一种基于高通滤波器的变频器输出侧共模电压测试方法，包括如下步骤：

[0007] (1)构造用于共模电压测试的高通滤波器，该高通滤波器包括三个输出侧电容、两个直流母线电容以及一个测试电阻，三个输出侧电容以Y型连接，两个直流母线电容串联连接，测试电阻的一端与三个输出侧电容Y型连接的中性点相连，测试电阻的另一端与两个直流母线电容的串联接点相连；

[0008] (2)测量所述高通滤波器的衰减比η的频谱；

[0009] (3)将所述高通滤波器安装至变频器上，利用电压探头和EMI接收机测量测试电阻两端的电压UPO的频谱，并补偿高通滤波器的衰减比η的频谱，从而得到变频器输出侧共模电压的频谱。

[0010] 进一步地，所述测试电阻的阻值R满足以下关系式：

[0011] ZM＜＜R＜＜ZVP

[0012] 其中：ZM为变频器所连电机的阻抗，ZVP为电压探头的输入阻抗。

[0013] 进一步地，所述输出侧电容的容值C满足以下关系式：

[0014]

[0015] 其中：R为测试电阻的阻值，fh为变频器输出侧共模电压高频成分的频率，fswitch为变频器逆变单元中功率开关器件的开关频率。

[0016] 进一步地，所述直流母线电容的容值Cdc满足以下关系式：

[0017] Cdc＞＞C

[0018] 其中：C为输出侧电容的容值。

[0019] 进一步地，所述步骤(2)中测量高通滤波器衰减比η频谱的具体方法为：首先，将三个输出侧电容并联，将两个直流母线电容并联；然后，在悬空的两个连接点上输入一个正弦电压信号并记录该信号的频率和幅值Ui，同时检测高通滤波器中测试电阻两端的电压幅值Uo，则Ui/Uo即为高通滤波器在该信号频率下的衰减比η；连续改变输入的正弦电压信号的频率，通过测量Ui和Uo，计算各个频率下的衰减比η，从而得到高通滤波器衰减比η的频谱。

[0020] 进一步地，所述步骤(3)中将高通滤波器安装至变频器上，即将三个输出侧电容分别与变频器三相输出端子连接，将两个直流母线电容分别与变频器中正负极直流母线相连接。

[0021] 进一步地，所述步骤(3)中变频器输出侧共模电压的频谱等于电压UPO的频谱加上20lnη。

[0022] 根据电磁兼容理论研究，变频器输出侧的共模电压，其幅值在开关频率附近很高，会威胁测试设备的安全；而在频率较高时，共模电压幅值往往很低，在测试中容易被底噪声淹没，无法被测试设备检测到。

[0023] 本发明使用高通滤波器辅助测试，可以抑制被测试信号在开关频率附近的高幅值，从而保证测试设备的安全。此外，由于测试设备的幅值最小分度值往往和测量范围成正比，抑制了开关频率的高幅值，可降低对测试设备的幅值测量范围的要求，从而提高测试的分辨能力，使得幅值较低的高频成分能够被测试设备测得。

[0024] 故相比于传统的使用电容和示波器的测试方法，本发明通过安装高通滤波器来测试共模电压，利用EMI接收机获得共模电压的频谱，本测试方法能在较大的频率范围内准确地测量变频器输出侧共模电压。

附图说明

[0025] 图1为本发明高通滤波器安装于变频器上的结构示意图。

[0026] 图2为高通滤波器的衰减测试结构示意图。

[0027] 图3为高通滤波器的衰减测试结果图。

[0028] 图4为变频器输出侧共模电压的测试结果图。

[0029] 图5为补偿高通滤波器衰减后共模电压的测试结果图。

具体实施方式

[0030] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

[0031] 本发明基于高通滤波器的变频器输出侧共模电压测试方法，包括如下步骤：

[0032] (1)使用Y型连接的三个输出侧电容，串联的两个直流母线电容，及连接在输出侧三相电容的中性点与直流母线电容的中点之间的测试电阻，构成用于共模电压测试的高通滤波器。

[0033] 其中，测试电阻R的取值应该满足以下两点要求：

[0034] 加入高通滤波器不能改变系统的特性，故测试电阻R的阻值应远大于电机的阻抗ZM；为了保证测量的精度，测试电阻R的阻值应远小于电压探头的输入阻抗ZVP，即ZM＜＜R＜＜ZVP。以3kW的实验平台为例，ZM可认为小于2kΩ，ZVP为1MΩ，可取R＝30kΩ。

[0035] 输出侧电容C的取值应该满足以下要求：

[0036] 加入高通滤波器以后应能有效地降低测试信号的低频成分，且不能抑制高频成分，因此滤波器的转折频率fc应该远大于变频器的开关频率fswitch，且小于共模电压高频成分的频率fh，即：

[0037]

[0038] 由转折频率fc的取值范围，可以得到输出侧电容C的取值范围：

[0039]

[0040] 以3kW的实验平台为例，fswitch＝10kHz，可取fh＝1MHz，代入R＝30kΩ，可得1.77pF＜C＜＜176pF，可取C＝15pF。

[0041] 直流母线电容Cdc的取值应该满足以下要求：

[0042] 为了抑制直流母线电容Cdc上的电压波动，直流母线电容Cdc的容值要远大于输出侧电容C的容值，即Cdc＞＞C；以3kW的实验平台为例，可取Cdc＝470nF。

[0043] (2)按照图2所示的连接方式，使用网络分析仪或者使用示波器和信号发生器，测量高通滤波器的衰减比η的频谱。即在滤波器两端输入一个正弦信号，记录该信号的频率和幅值及滤波器电阻电压的幅值，通过改变输入信号的频率，连续测量并计算，从而得到滤波器的衰减比η的频谱。

[0044] 以3kW的实验平台为例，测量得到的传递函数如图3所示。

[0045] (3)按照图1所示的连接方式，将高通滤波器接入变频器。

[0046] 根据电磁兼容理论研究，变频器输出侧的共模电压，其幅值在开关频率附近很高，会威胁测试设备的安全。而在频率较高时，共模电压幅值往往很低，在测试中容易被底噪声淹没，无法被测试设备检测到。

[0047] 使用高通滤波器辅助测试，可以抑制被测试信号在开关频率附近的高幅值，从而保证测试设备的安全。此外，由于测试设备的幅值最小分度值往往和测量范围成正比，抑制了开关频率的高幅值，可降低对测试设备的幅值测量范围的要求，从而提高测试的分辨能力，使得幅值较低的高频成分能够被测试设备测得。

[0048] (4)利用电压探头和EMI接收机测试高通滤波器电阻上的电压的频谱，即UPO；以3kW的实验平台为例，其测试结果如图4所示；随后补偿高通滤波器的衰减，得到共模电压的频谱，以3kW的实验平台为例，测试结果如图5所示。

[0049] 上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。