濾波器在變頻系統(tǒng)中的應(yīng)用

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　　變頻器是一個(gè)高諧波的發(fā)生源，在變頻器的輸出側(cè)測試其諧波含量，可測到高達(dá)70%以上的電流畸變率，嚴(yán)重影響了其他用電器的安全運(yùn)行。近年來，發(fā)現(xiàn)在使用多臺(tái)變頻器的場合，變頻器的功率模塊的損壞率急增，而且還查不出損壞的原因。有時(shí)，變頻器會(huì)莫名其妙的發(fā)生故障，但在停機(jī)重新啟動(dòng)后，故障消失。諸如此類"故障"的現(xiàn)象繁多，究其原因，就是諧波的影響。因此，為變頻器加上變頻器專用濾波器是十分重要和必要的。變頻器專用濾波器，就是為了消除變頻器工作時(shí)，對(duì)電網(wǎng)及其它數(shù)字電子設(shè)備產(chǎn)生干擾的頻譜分量、增強(qiáng)變頻器的電磁兼容性而專門設(shè)計(jì)的濾波器。

　　根據(jù)變頻器產(chǎn)品說明，滿足EMC 要求的最大運(yùn)行范圍，通常和變頻器開關(guān)頻率以及變頻器和電機(jī)之間的最大線纜長度有關(guān)。一般情況下，更高的開關(guān)頻率，意味著更強(qiáng)的干擾。更長的線纜，意味著更大的共模電流將流過用以抑制干擾的共模扼流圈。如果實(shí)際應(yīng)用的線纜超過變頻器產(chǎn)品手冊中定義的最大線纜長度，那么不符合限值的情況就會(huì)發(fā)生。另外，變頻器內(nèi)置的噪聲抑制線圈甚至?xí)�發(fā)生飽和，導(dǎo)致整個(gè)濾波器完全失效。

　　EMC濾波器，又名"電磁兼容性濾波器",主要用于儀器儀表、自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，用來抑制和消除工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)場的強(qiáng)電磁干擾和電火花干擾，勘正現(xiàn)場儀器儀表，保證自動(dòng)化控制系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。EMC濾波器串接于現(xiàn)場儀器儀表、自動(dòng)化控制設(shè)備的電源進(jìn)線端，用于消除風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、馬達(dá)、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、渦流機(jī)等各種大型感性設(shè)備啟制動(dòng)和運(yùn)行期間產(chǎn)生的對(duì)電源的干擾；EMC濾波器串接于儀器儀表、自動(dòng)化控制設(shè)備的繼電器控制輸出端，用于消除后級(jí)接觸器、電磁閥、風(fēng)機(jī)、水泵等各種感性負(fù)載通、斷電期間產(chǎn)生電磁干擾和火花干擾。

　　現(xiàn)在我們對(duì)在不同應(yīng)用條件下的配置有內(nèi)置干擾抑制器件的商用變頻器進(jìn)行性能測試，以說明這兩種EMC濾波器在變頻器應(yīng)用中的效果。
　　
　　1、長線纜驅(qū)動(dòng)的問題
　　線纜是光纜、電纜等物品的統(tǒng)稱。線纜的用途有很多，主要用于控制安裝、連接設(shè)備、輸送電力等多重左右，是日常生活中常見而不可缺少的一種東西。由于電纜帶點(diǎn)，所以安裝需要特別謹(jǐn)慎。

　　通常情況下，配有內(nèi)置干擾抑制器件的變頻器的最大運(yùn)行線纜長度是5 m。帶有內(nèi)部干擾抑制器件的測試曲線如圖1所示。被測變頻器帶有內(nèi)部干擾抑制器件，電機(jī)線纜長度為5 m或50 m，電機(jī)功率為11 kW。在電機(jī)線纜長度為50 m的情況下，發(fā)生超過限值的情況。測試表明在滿足這些條件下的最大傳導(dǎo)發(fā)射滿足EN55011/Class A 的要求。然而，如果變頻器使用更長的線纜，那么電源線上的傳導(dǎo)干擾將會(huì)增加，變頻器內(nèi)置濾波器將不能保證足夠的噪聲抑制。由于屏蔽線纜本身的高寄生電容所產(chǎn)生的共模電流也將隨著線纜長度而增加，這些電流將導(dǎo)致內(nèi)部濾波器的共模扼流圈飽和，因而EMC 的要求將很難被滿足，配置外置濾波器成為了必要條件。　

　　在這個(gè)例子中，變頻器配有50 m長的線纜。測試記錄清楚的表明內(nèi)部濾波器的線圈飽和，發(fā)出了嗡嗡的讓人煩躁的噪聲，因此必須配置外置濾波器來保證重新滿足EMC 限值的要求。相應(yīng)的配有外置濾波器，電機(jī)功率11 kW屏蔽線纜長度為50 m 的變頻器的EMI 測試曲線如圖2 所示。其中型號(hào)為BAOF超緊湊、低成本濾波器在此應(yīng)用中被使用。

　  2、飽和的影響
　　吸入氣中的某種氣體分壓高于體內(nèi)該氣體的張力時(shí)，氣體按壓差梯度擴(kuò)散入機(jī)體。當(dāng)該氣體溶入體液和組織中的張力達(dá)到最大值時(shí)的狀態(tài)。以烷烴為例，飽和鏈烴即烷烴，烷烴分子中碳原子之間的共價(jià)鍵全部為碳碳單鍵，其中碳原子皆為飽和碳原子，也就是說，烷烴分子中碳原子之間全部以碳碳單鍵結(jié)合成鏈狀，碳原子剩余的價(jià)鍵全部跟氫原子相結(jié)合而達(dá)到飽和。

　　安裝外置濾波器，配有和去掉內(nèi)部共模線圈的對(duì)比測試曲線如圖3 所示，顯示干擾被降低了，但是仍然沒有低于限值。證明此外置濾波器對(duì)于此拓?fù)淝闆r并不適用，因?yàn)樽冾l器內(nèi)部的線圈已經(jīng)飽和，并成為一個(gè)附加的干擾源，飽和線圈產(chǎn)生的干擾直接疊加在變頻器自身的干擾信號(hào)上。這是因?yàn)楫?dāng)共模交流電流流過共模扼流圈的時(shí)候，并不斷地使其飽和，由于其非線性特性，扼流圈表現(xiàn)類似于一個(gè)額外的寬帶干擾源。因而線圈飽和的特性可以通過測試峰值（PK）和準(zhǔn)峰值（QP）體現(xiàn)出來，可以看到峰值和準(zhǔn)峰值已經(jīng)超過限值。與此形成對(duì)比的是，線圈飽和對(duì)平均值（AV）的影響非常有限。因線圈飽和產(chǎn)生的寬帶干擾相應(yīng)的更清楚的被寬帶PK 和QP探測器捕捉，而不是窄帶探測器AV。　

　　乍看之下，在頻率從幾百kHz 到3 MHz 的范圍內(nèi)，配有內(nèi)置線圈的測試曲線令人驚訝。這是因?yàn)楣材６罅魅�，其電感量由其鐵氧體材料決定，不僅抑制共模干擾，而且具有非常低的漏感（漏感是由于部分磁場穿過空氣而不是鐵氧體介質(zhì)所產(chǎn)生的）。這部分漏感并沒有受到線圈飽和的影響而繼續(xù)存在，但是它對(duì)其他因線圈飽和而超過限值的頻段幾乎毫無幫助。如果同一個(gè)變頻器使用同樣型號(hào)為BAOF的濾波器，但是去掉變頻器內(nèi)部扼流圈，結(jié)果顯示就如圖2，這樣更容易滿足限值。

　　正因?yàn)檫@個(gè)原因，去掉變頻器內(nèi)部的干擾抑制線圈。這是一個(gè)非常好的沒有濾波的變頻器效果展示，無內(nèi)部濾波器的變頻器仍含有一些抑制干擾的基本元件，如良好鏈接的電容器。內(nèi)部電容是必要的，這樣連接變頻器和濾波器之間的電源線上的高頻干擾將有效地被降低，以防止噪聲耦合到濾波器電源線上。否則，連接線纜必須進(jìn)行屏蔽處理。

　　然而真實(shí)情況是，如果用戶使用帶有包含共模扼流線圈的內(nèi)部干擾抑制元件，那么就不可避免地要同時(shí)使用性能更高的外置濾波器，例如如圖2 所示的型號(hào)為BAOF雙節(jié)濾波器。被測變頻器帶有內(nèi)部線圈，其電機(jī)線纜長度為50 m，電機(jī)功率11 kW，外置濾波器為BAOF作為內(nèi)部干擾抑制器件的補(bǔ)充。

　　這樣至少確保干擾低于相應(yīng)的限值，滿足了EMC的要求。測試曲線中峰值PK在頻率至0.5 MHz時(shí)有劇烈的波動(dòng)，這是因?yàn)閮?nèi)部扼流圈仍然在飽和狀態(tài)下運(yùn)行。然而，準(zhǔn)峰值QP曲線將為平滑，明顯低于限值。

　　3、并聯(lián)的問題
　　當(dāng)電源輸入端的干擾隨電機(jī)線纜長度而增強(qiáng)時(shí)，如果變頻器同時(shí)帶動(dòng)多個(gè)并聯(lián)電機(jī)，那么這個(gè)問題將會(huì)更為嚴(yán)重。我們可以將屏蔽線纜視為一個(gè)包含多個(gè)串聯(lián)電感以及多個(gè)電容并聯(lián)并接地的簡化電路（多個(gè)仔型電路串連），這些對(duì)地電容部分并聯(lián)，而總對(duì)地電容量隨著并聯(lián)線纜的增加而增加。然而，另一方面，屏蔽線纜的等效電路非常復(fù)雜，因?yàn)榫�上電感的存在，兩個(gè)線纜并聯(lián)并不等同于兩個(gè)寄生電容并聯(lián)。　

　　然而，變頻器帶動(dòng)兩個(gè)并聯(lián)電機(jī)（此例子中是一個(gè)功率為7.5 kW和11 kW 的電機(jī)），每個(gè)電機(jī)以25 m長的線纜連接，這種配置要比單個(gè)電機(jī)、50 m長線纜的配置的要求更高，兩個(gè)電機(jī)并聯(lián)的測試曲線如圖4所示。安裝外置BAOF濾波器，是配有和去掉內(nèi)置干擾抑制器件的對(duì)比測試曲線，將圖2 和圖4進(jìn)行對(duì)比，由圖可知，線纜長為25 m 的兩個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的干擾明顯高于線纜長為50 m的電機(jī)。這種現(xiàn)象同樣可以在去掉變頻器內(nèi)部線圈后的對(duì)比測試中重現(xiàn)。如果使用低成本濾波器BAOF，可以實(shí)現(xiàn)低于限值的目標(biāo)，即使在內(nèi)部線圈被去掉的情況下，但是余量相對(duì)于單個(gè)電機(jī)50 m線纜的情況要明顯小了很多。

　　變頻器業(yè)界的專家、學(xué)者、企業(yè)家、用戶共聚一堂，歷數(shù)我國變頻器行業(yè)一年來取得的驕人成績。雖然我國變頻器市場仍舊是歐、美、日十大品牌占據(jù)主流，但我國變頻器的十大品牌正在迅速的崛起，高水平的高壓變頻器已經(jīng)能和國外的品牌匹敵，并且占有的市場分額逐年迅速增加。這是令變頻器業(yè)界擊鼓相慶可喜可賀的大事。但是我們也應(yīng)當(dāng)清醒的認(rèn)識(shí)到，和歐美、日產(chǎn)品相比，我國變頻器的產(chǎn)量、質(zhì)量、品種和生產(chǎn)廠家的規(guī)模的差距還是不小，業(yè)界的同仁們應(yīng)當(dāng)利用我國正在大力提倡建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、創(chuàng)新型國家的東風(fēng)，縮小和歐美、日產(chǎn)品的差距。