正弦波滤波器：解决电压上升速率和峰值电压问题的LC低通滤波器方案

正弦波滤波器是一种LC低通滤波器，是最为复杂的滤波器解决方案。在降低电压上升速率dv/dt和峰值电压V_PP方面，正弦波滤波器比带VPL的dv/dt滤波器更为有效。但是，使用正弦波滤波器会对脉冲频率设置以及逆变器的电流和电压都将有比较苛刻的约束。正弦波滤波器原理图如图5-7所示。

图5-7 正弦波滤波器原理图

如图5-8所示，正弦波滤波器仅允许逆变器输出的基波分量通过。因此，施加到电动机端的电压近似为正弦波，仅带有极小的谐波含量。使用正弦波滤波器时逆变器输出端和电动机端子处的电压v（t）示意图如图5-8所示。

正弦波滤波器可以非常有效地将电动机绕组上的电压变化率dv/dt和峰值电压V_PP限制为下列值：

1）电压变化率dv/dt≪50V/μs；

2）电压峰值V_PP<1.1×。

图5-8 使用正弦波滤波器时逆变器输出端和电动机端子处的电压v（t）示意图

因此，电动机绕组承受的电压冲击实际上与直接连接到电网的情况相同，并可显著减少轴承电流。因此，使用这种滤波器时，SINAMICS变频器可驱动标准绝缘和不带绝缘轴承的标准电动机。这既适用于西门子电动机也适用于第三方电动机。

由于电动机电缆上的电压变化率非常低，正弦波滤波器能有效地改善其电磁兼容性，无须通过使用屏蔽电动机电缆达到所需的EMC标准。

由于施加在电动机上的电压不是脉冲形式，所以与变频器相关的电动机中的杂散损耗和附加噪声大大降低，电动机的噪声等级基本等同于电源直接供电的电动机。

可用的正弦波滤波器：

1）在380～480V电压范围内，最大变频器额定输出功率为250kW，400V。

2）在500～600V电压范围内，最大变频器额定输出功率为132kW，400V。

SINAMICS S120装机装柜型装置带正弦滤波器时所允许的最大电动机电缆长度见5.7节。

使用正弦波滤波器的附加条件

正弦波滤波器应紧邻变频器或逆变器。正弦波滤波器和变频器或逆变器的输出端之间的电缆长度不应超过5m。

考虑到正弦波滤波器的谐振频率，脉冲频率必须设定为4kHz（380～480V）或2.5kHz（500～600V）。为此，变频器允许的输出电流降容至表5-2中提供的数值。

表5-2 带有正弦波滤波器时的电流降额比率和允许的输出电流(www.xing528.com)

此外，空间矢量调制模式SVM（Space Vector Modulation）是唯一允许的调制模式。不允许使用脉冲边沿调制。

因此，基本整流单元或回馈整流单元供电的S120逆变单元的输出电压被限制为输入电压的85%（380～480V）或83%（500～600V）。被驱动电动机会更早进入弱磁运行。由于变频器无法提供电动机的额定电压，仅当电动机超过额定电流运行时才能输出额定功率。

通过有源整流单元供电的S150和S120逆变单元，有源整流单元的升压整流工作原理可提高直流母线电压，因此即使是在空间矢量调制模式时，施加到电动机的电压也可达到进线电源电压值。

最大输出频率被限制为150Hz。

调试时，必须通过参数P0230选择正弦波滤波器。

对于SINAMICS S120变频器系列的正弦波滤波器，必须设参数P0230=3，以确保所有与正弦波滤波器相关的参数正确。

对于第三方的正弦波滤波器，必须设参数P0230=4，功率单元过载反应只可选择不带“降低脉冲频率”的反应（P290=0或1）且设置调制模式为无过调制的空间矢量模式（P1802=3）。另外，正弦滤波器的工艺参数P233和P234必须设置，最大频率或者最大速度（P1082）和脉冲频率（P1800）也必须根据正弦滤波器设置。

在接地系统（TN/TT）和非接地系统（IT）中均可使用正弦波滤波器。

正弦滤波器只能用在矢量模式和V/f模式，无法用在伺服模式。电动机侧输出电抗器和滤波器的属性比较见表5-3。

表5-3 电动机侧输出电抗器和滤波器的属性比较

图5-9中显示在电动机侧典型的电压变化率dv/dt和峰值电压V_PP，带和不带滤波器和电抗器运行在不同电缆长度，特别是峰值电压V_PP在各种情况下的值。

说明

此图是在变频器连接整流单元，根据《SINAMICS低压工程师手册》要求的电动机屏蔽电缆交叉方式，而且是固定方式运行，当制动运行时无论是激活V_DCMAX或者制动单元，此数值会按照直流母线电压成比例的增加，S150和S120ALM会因为直流母线电压增加而增加10%

图5-9 电压变化率和峰值电压抑制效果

图5-9清楚地反映出带VPL的滤波器、带紧凑型VPL的滤波器、正弦滤波器都能非常有效的降低电动机上的电压变化率和电压峰值。两种滤波器都能成功匹配绝缘未知的老电动机，或者是在进线电压达690V，由SINAMICS变频器驱动且绕组无特殊绝缘的电动机。