正弦波滤波器的原理及应用
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
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，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，其中最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。
图1 正弦波滤波器结构
(a) 变频器输出PWM波形
（b）正弦波滤波器输出电压波形
图2 正弦波滤波器作用效果图
假设变频器输出电压为
，经过正弦波滤波器后变为
，则
因此截止频率
。
如果变频器的载波频率为
，则输出的PWM 波形中除了基波外，还含有丰富的谐波，频率为
的整数倍（主要是
、2
及3
）。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，使得
近似为正弦波。图2 为在Matlab / SimPower Systems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疑会降低输出电压，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315 kW、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% 左右的电流裕量，即电抗器的电流为I＝568×（1＋10%）A ＝624.8 A，取630 A。为保障电动机工作，额定工作条件下电抗上压降不应太大，取10%，则感抗值为
，电抗值为
电容值的选择与电抗值和变频器的载波频率相关。载波频率为
时，通常选择截止频率（0.2～
0.4）
，由公式便可以计算出相应的电容值。不同的截止频率起到的滤波效果有很大的不
同。表给出了功率315 kW、功率因数0.8 的电动机满载工作条件下的滤波情况，其中变频器的载波频率4 kHz，载波与信号波幅值比为1.1∶1，信号波频率50 Hz，变频器输出PWM波形基波有效值378 V，滤波电抗值取0.111 mH。由表很明显可以看出，截止频率越小输出正弦波电压畸变率越小，但是输出电压也会随之减小，可能会影响电动机正常工作，而且增大电容也会增加正弦波滤波器的成本，最重要的电容过大对空载或轻载电流影响较大。考虑到一般工业上要求输出电压畸变率小于5%即可，因此截止频率一般选择0.3
左右。
表 不同截止频率下的滤波情况
应用案例
江阴斯菲尔电气股份有限公司研制开发的正弦波滤波器通过合理的结构设计将电容和电抗组合起来，体积小，应用灵活，可放在机柜内，也可以单独使用。对于传输电缆过长的场合，可以有效保护电动机绝缘，减小电动机轴承电流，提高系统可靠性。
国内某海上采油平台，受现场条件限制，变频器和电动机之间的电缆长度一般都在1 500 m以上，过高的冲击电压使电动机无法正常工作。采用江阴斯菲尔电气股份有限公司的正弦波滤波器后，将变频器输出的 PWM 波形转变成正弦波，而且电压畸变率只有2.4%，满足长距离传输的要求。图3 为现场测试的波形。
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