電抗器和電磁干擾濾波器應(yīng)用技術(shù)

1、電抗器與電磁干擾濾波器1.輸入電抗器通用變頻器的整流部分采用了二極管不可控橋式整流電路，中間濾波部分采用大電解電容作為濾波器，所以整流器的輸入電流實(shí)際上是電容器的充電電流，呈較為陡峻的脈沖波，其諧波分量較大。為了消除諧波，可采用以下對策：1.1增加變頻器供電電源內(nèi)阻抗通常情況下，電源設(shè)備的內(nèi)阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用。這種內(nèi)阻抗就是變壓器的短路阻抗。當(dāng)電源容量相對變頻器容量越小時(shí)，則內(nèi)阻抗值相對越大，諧波含量越??；電源容量相對變頻器容量越大時(shí)，則內(nèi)阻抗值相對越小，諧波含量越大。當(dāng)電源內(nèi)阻為4%時(shí)，可以起到很好的諧波抑制作用。所以選擇變頻器供電電源變壓器時(shí)，最好選擇短路阻

2、抗大的變壓器。 1.2安裝電抗器安裝電抗器實(shí)際上是從外部增加變頻器供電電源的內(nèi)阻抗。在變頻器的交流側(cè)安裝輸入電抗器，抑制諧波電流,提高功率因數(shù)以及削弱輸入電路中的浪涌電壓、電流對變頻器的沖擊，削弱電源電壓不平衡的影響，一般情況下，都必須加進(jìn)線電抗器。交流電抗器的結(jié)構(gòu)是在三相鐵心上繞上三相線圈，實(shí)物外形如圖4所示。由于電抗器是長期接入電路的，故導(dǎo)線截面積應(yīng)足夠大，應(yīng)能允許長時(shí)間流過變頻器的額定電流。圖4三相交流電抗器（AC REACTOR）實(shí)物圖其實(shí)，大多數(shù)變頻器說明書中的選配件連接圖上，往往都有加裝輸入電抗器這一部分的，如圖5所示。但在實(shí)際安裝過程中，用戶的要求是價(jià)格低、滿足使用要求就行了，使

3、得技術(shù)人員在安裝中也往往將輸入電抗器“省略”掉了，雖然安裝初期并無異?，F(xiàn)象。殊不知，這樣給日后的運(yùn)行帶來無盡的后患。圖5 輸入電抗器和直流電抗器連接示意圖例如，在某地安裝了一臺(tái)小功率變頻器，先后出現(xiàn)了燒毀三相整流橋的故障。變頻器為2.2 kW，所配電機(jī)為1.1 kW，且負(fù)載較輕，運(yùn)行電流不到2 A，電源電壓在380 V左右，很穩(wěn)定。因而現(xiàn)場看不出什么異常。但先后更換了三臺(tái)變頻器，運(yùn)行時(shí)間均不足二個(gè)月，檢查都是三相整流橋燒毀，原因何在？赴現(xiàn)場全面檢查，發(fā)現(xiàn)在同一車間、同一供電線路上還安裝了另兩臺(tái)大功率變頻器，三臺(tái)變頻器既有同時(shí)運(yùn)行、也有不同時(shí)起/停的可能。根據(jù)現(xiàn)場分析后認(rèn)為，大功率變頻器的運(yùn)行與

4、起停，就是小功率變頻器損壞的根源所在。這是為什么？流入兩臺(tái)大功率變頻器的非線性電流，使得電源側(cè)電壓（電流）波型的畸變分量大大增加（相當(dāng)于在現(xiàn)場安裝了兩臺(tái)電容補(bǔ)償柜，因而形成了動(dòng)蕩的電容投切電流），但對于大功率變頻器而言，由于其內(nèi)部空間較大，輸入電路的絕緣處理易于加強(qiáng)，所以不易造成過壓擊穿，但小功率變頻器，因內(nèi)部空間較小，絕緣耐壓是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，電源側(cè)的浪涌電壓沖擊，便使其在劫難逃了。另外，相對于電源容量而言，小功率變頻器的功率顯然太不匹配。當(dāng)變頻器的功率容量數(shù)倍小于電源容量時(shí)，變頻器輸入側(cè)的諧波分量則大為增強(qiáng)，這種能量，即是危及變頻器內(nèi)三相整流橋的一個(gè)不容忽視的因素。又如，某化工廠安裝了數(shù)臺(tái)進(jìn)口

5、變頻器，工作電流和運(yùn)行狀態(tài)都正常，但也屢次出現(xiàn)炸毀整流橋的故障，往往在運(yùn)行中毫無征兆地就爆裂了?，F(xiàn)場勘測和分析：該廠為補(bǔ)償無功功耗，在電控室安裝了數(shù)臺(tái)電容補(bǔ)償柜。大容量電容器的投、切在電網(wǎng)中形成了幅值極高的浪涌電壓和浪涌電流。觀察電容補(bǔ)償柜中的電容進(jìn)線，并未按常規(guī)要求加裝浪涌抑制電抗器，此電抗器的作用實(shí)質(zhì)上不但抑制了進(jìn)入電容器的浪涌電流，也同時(shí)改善了整個(gè)電網(wǎng)內(nèi)的浪涌沖擊。當(dāng)生產(chǎn)線進(jìn)行了變頻改造后，補(bǔ)償電容的投、切（充、放電）電流與變頻器整流造成的諧波電流互相作用，在電網(wǎng)系統(tǒng)中形成了瞬時(shí)的動(dòng)蕩的電壓尖峰，該電壓尖峰遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電源電壓，擊穿變頻器中的整流模塊也就順理成章了。綜合起來看，以上三個(gè)問題

6、其實(shí)只是一個(gè)問題，即電網(wǎng)電壓波形的畸變形成了電壓尖峰，使電器設(shè)備不堪其沖擊而損壞，因而處理的措施也很簡單，即在變頻器輸入端接入電抗器。通過上面事例可以看出，輸入端接電抗器是為了防止電網(wǎng)諧波變化引起干擾，在三相進(jìn)線電壓嚴(yán)重不平衡或該電網(wǎng)內(nèi)有電容補(bǔ)償器或可控硅負(fù)載的場合，輸入電抗器的優(yōu)勢就明顯體現(xiàn)出來。它主要保護(hù)電源對整流橋和充電電阻的沖擊。對于小功率(7.5 kW以下)，單獨(dú)用輸入電抗器要比用直流電抗器的效果好得多。綜合上述，在以下情況中必須加入輸入電抗器：a.變頻器所用之處的電源容量與變頻器容量之比為10:1以上；b.同一電源上接有可控硅負(fù)載或帶有開關(guān)控制的功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；c.三相電源的電壓

7、不平衡度大于3%。在電源與變頻器輸入側(cè)之間串聯(lián)交流電抗器，這樣可使整流阻抗增大來有效抑制高次諧波電流，減少電源浪涌對變頻器的沖擊，改善三相電源的不平衡性，提高輸入電源的功率因數(shù)（提高到0.750.85），這樣進(jìn)線電流的波形畸變大約降低30%50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。電抗器分為輸入電抗器和輸出電抗器，他們的作用各不相同（電抗器型號(hào)中，I表示進(jìn)線，O表示出線）。那么，輸出端的電抗器又有什么作用？2.輸出電抗器變頻器接輸出電抗器是為了隔離變頻器對其他設(shè)備的干擾。當(dāng)變頻器輸出到電機(jī)的電纜長度大于產(chǎn)品規(guī)定值時(shí)，應(yīng)加輸出電抗器來補(bǔ)償電機(jī)長電纜運(yùn)行時(shí)的耦合電容的充放電影響，避免變頻器過流。并能

8、抑制變頻器輸出的諧波，起到減小變頻器噪聲的作用。加裝輸出電抗器后還可以鈍化變頻器輸出電壓（開關(guān)頻率）的陡度，減少逆變器中的功率元件的擾動(dòng)和沖擊。輸出電抗器有兩種類型，一種輸出電抗器是鐵心式電抗器，當(dāng)變頻器的載波頻率小于3 kHz時(shí)采用；另一種輸出電抗器是鐵氧體式，當(dāng)變頻器的載波頻率小于6 kHz時(shí)采用。變頻器輸出端增加輸出電抗器的作用還可以增加變頻器到電動(dòng)機(jī)的導(dǎo)線距離，輸出電抗器可以有效抑制變頻器的IGBT開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的瞬間高電壓，減少此電壓對電纜絕緣和電機(jī)的不良影響。同時(shí)為了增加變頻器到電機(jī)之間的距離可以適當(dāng)加粗電纜，增加電纜的絕緣強(qiáng)度，盡量選用非屏蔽電纜。有的變頻器廠商出于對產(chǎn)品宣傳的需要，

9、稱變頻器與電機(jī)之間的距離較遠(yuǎn)時(shí)才建議加輸出電抗器?？紤]到現(xiàn)場的實(shí)際情況及電纜鋪設(shè)情況，根據(jù)本人的工作經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為在50 m以上最好加輸出電抗器。此外還應(yīng)根據(jù)變頻器的容量進(jìn)行設(shè)計(jì)，大容量的變頻器建議都加上輸入、輸出電抗器。對變頻器運(yùn)行狀況和自身可靠性都有很大好處。2.1關(guān)于變頻器電抗器的選擇問題 2.1.1額定交流電流的選擇 額定交流電流是從發(fā)熱方面設(shè)計(jì)電抗器的長期工作電流，同時(shí)應(yīng)該考慮足夠的高次諧波分量。即輸出電抗器實(shí)際流過的電流是變頻器電機(jī)負(fù)載的工作電流。 2.1.2電壓降 電壓降是指50 Hz時(shí)，對應(yīng)實(shí)際額定電流時(shí)電抗器線圈兩端的實(shí)際電壓降。通常選擇電壓降在4 V8 V左右。 2.1.3電感

10、量的選擇 電抗器的額定電感量也是一個(gè)重要的參數(shù)，若電感量選擇不合適，會(huì)直接影響額定電流下電壓降的變化，從而引起故障。電感量以基波電流流經(jīng)電抗器時(shí)電壓降不大于額定電壓的3%為宜。而電感量的大小取決于電抗器鐵心的截面積和線圈的匝數(shù)與氣隙的調(diào)整。 輸出電抗器電感量選擇是根據(jù)在額定頻率范圍內(nèi)的電纜長度來確定，然后再根據(jù)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際額定電流來選擇相應(yīng)電感量要求下的鐵心截面積和導(dǎo)線截面積，才能確定實(shí)際電壓降。 理想的電抗器是在小于或等于額定交流電流時(shí)，電感量保持不變，隨著電流的增大，而電感量逐漸減小。常用規(guī)格的交流電抗器如表1所示。表1常用規(guī)格的交流電抗器3.直流電抗器在變頻器的直流側(cè)安裝直流電抗器，用于

11、改善功率因數(shù)，抑制電流尖峰。有下列情形之一，則須裝直流電抗器。(1)電網(wǎng)容量遠(yuǎn)大于變頻器容量；(2)電源容量大于1 000 kVA 時(shí)；(3)對改善電源功率因數(shù)要求較高時(shí)。直流電抗器接在變頻系統(tǒng)的直流整流環(huán)節(jié)與逆變環(huán)節(jié)之間，主要用途是:將疊加在直流電流上的交流分量限定在某一規(guī)定值，保持整流電流連續(xù)，減小電流脈沖幅值，并對中間直流環(huán)節(jié)的電容提供保護(hù)，使逆變環(huán)節(jié)運(yùn)行更穩(wěn)定并改善了變頻器的功率因數(shù)（提高到0.95）。直流電抗器可與交流電抗器同時(shí)使用，對減小輸入的高次諧波同樣有明顯效果。 直流電抗器是將線圈繞在單相鐵心上，由于在直流電路中，線圈的感抗為零，故線圈的匝數(shù)可以適當(dāng)多一點(diǎn)，這樣濾波的效果就好

12、一些。直流電抗器性能指標(biāo)值如表2所示。表2直流電抗器性能指標(biāo)值 電壓(V)功率(kW)電流(A)電感(H)電壓(V)功率(kW)電流(A)電感(H)220111575450380111540150018.53015020018.530756003755300100375515030075904204075902202001105602511013228014016020037011022056070250280740554.電磁干擾濾波器在變頻器的輸入和輸出的電流中，除了構(gòu)成電源無功損耗的較低次諧波外，也還有許多頻率很高的諧波成份。它們將以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對其他設(shè)備的干擾信號(hào)

13、。 對于通過線路傳播的干擾信號(hào)，主要通過增大線路在干擾頻率下的阻抗來削弱，實(shí)際上，電路中串入一個(gè)小電感，它在基頻下的阻抗的是微不足道的，但頻率較高的諧波電流，卻呈現(xiàn)出很高的阻抗，起到有效的抑制作用。我們經(jīng)常會(huì)看到交流電源到整流橋前會(huì)有一塊EMI電路，如圖6所示。只知道這是起到濾波和抑制電網(wǎng)脈沖尖峰的作用，它和我們經(jīng)常聽說過的EMC區(qū)別在那里？圖6電磁干擾濾波器說到變頻器電磁兼容性，先要了解以下內(nèi)容。FILTER（濾波器）。EMI （電磁干擾），包括傳導(dǎo)、輻射、諧波等等。圖中“EMI FILTER”的中文意思為“電磁干擾濾波器”。EMS（抗電磁干擾性），直譯是“電磁敏感度”。其意是指由于電磁能量

14、造成性能下降的容易程度。打個(gè)通俗比方，如果將電子設(shè)備比喻為人，將電磁能量比做流感病毒，敏感度就是是否易患流感。如果不易患流感，說明免疫力強(qiáng)。EMS也是衡量設(shè)備性能的重要指標(biāo)。EMC（電磁兼容性），意指設(shè)備所產(chǎn)生的電磁能量既不對其它設(shè)備產(chǎn)生干擾，也不受其他設(shè)備的電磁能量干擾的能力。EMC這個(gè)術(shù)語有其非常廣的含義。由上所述可以看出，EMC=EMI+EMS 毫無疑問，電磁干擾濾波器用于抑制變頻器產(chǎn)生的電磁干擾噪聲的傳導(dǎo)，也可抑制外界無線電干擾以及瞬時(shí)沖擊、浪涌對本機(jī)的干擾。根據(jù)使用位置的不同可以分為輸入濾波器和輸出濾波器。 輸入濾波器串聯(lián)在變頻器輸入側(cè)，由電感線圈組成，通過增大電路的阻抗以減小頻率較

15、高的諧波電流；輻射濾波器并聯(lián)在電源與變頻器輸入側(cè)，由高頻電容器組成，可以吸收頻率較高具有輻射能量的諧波成份，用于降低無線電噪聲。線路濾波器和輻射濾波器同時(shí)使用效果更好。 輸出濾波器串聯(lián)在變頻器輸出側(cè)，由電感線圈組成，可以減小輸出電流中的高次諧波成份，抑制變頻器輸出側(cè)的浪涌電壓，同時(shí)可以減小電動(dòng)機(jī)由高頻諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩。注意輸出濾波器到變頻器和電機(jī)的接線盡量縮短，濾波器亦應(yīng)盡量靠近變頻器。輸出濾波器從結(jié)構(gòu)上分LR濾波器單元和LC濾波器單元兩種類型，如圖7所示。圖7兩種輸出濾波器結(jié)構(gòu)除傳統(tǒng)的LR、LC濾波器還在應(yīng)用以外，當(dāng)前抑制諧波的重要趨勢是還采用有源電力濾波器，它串聯(lián)或并聯(lián)于主電路中，實(shí)

16、時(shí)對電流中高次諧波進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果輸入與高次諧波成份具有相反相位電流，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流目的，從而使電網(wǎng)電流只含基波電流。它與無源濾波器相比，具有高度可控性和快速響應(yīng)性，且可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)，但存在容量大，價(jià)格高的特點(diǎn)。例如：某新建冶煉廠投廠初期共使用變頻器五十多臺(tái)，其中絕大部分變頻器在安裝時(shí)沒有考慮諧波對電網(wǎng)的影響，因而沒有附帶消諧裝置。運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)電機(jī)普遍存在發(fā)熱量大、低頻運(yùn)行時(shí)抖動(dòng)、噪聲等較工頻運(yùn)行的電機(jī)大，且變頻器運(yùn)行時(shí)容易受干擾產(chǎn)生誤動(dòng)作等。經(jīng)過對現(xiàn)場的觀察、分析，發(fā)現(xiàn)故障的根源均是因高次諧波擾動(dòng)所致。后經(jīng)過對變頻器EMC（電磁兼容）的技術(shù)改造，對以上變頻器所在線路補(bǔ)加電抗器、濾波器、磁環(huán)等消諧裝置，設(shè)備運(yùn)行狀況得到改善，在節(jié)能的同時(shí)，真正達(dá)到設(shè)備安全平穩(wěn)無故障運(yùn)行。可以看出，用戶在今后采購變頻器時(shí)應(yīng)傾向于新型綠色變頻器（見表3）。表3常用的三相三線制無線電噪聲濾波器 電壓(V)電機(jī)功率(kW)電壓(V)電機(jī)功率(kW)濾波器型號(hào)濾波器主要參數(shù)共模輸入損耗dB差模輸入損耗dB0.1MHz1MHz30MHz0.1MHz1MHz30MHz2200.40.753800.751.5DL-5EB17585555580601.52.22.24DL-10EBT170855545806045.55.57.5