滤波器在变频系统中的应用

     常州博邦电气科技有限公司（www.burbund.com）专业生产：电抗器、铝壳电阻、制动电阻、 制动单元、电阻箱、电阻柜、变压器、滤波器等。

　　变频器是一个高谐波的发生源，在变频器的输出侧测试其谐波含量，可测到高达70%以上的电流畸变率，严重影响了其他用电器的安全运行。近年来，发现在使用多台变频器的场合，变频器的功率模块的损坏率急增，而且还查不出损坏的原因。有时，变频器会莫名其妙的发生故障，但在停机重新启动后，故障消失。诸如此类"故障"的现象繁多，究其原因，就是谐波的影响。因此，为变频器加上变频器专用滤波器是十分重要和必要的。变频器专用滤波器，就是为了消除变频器工作时，对电网及其它数字电子设备产生干扰的频谱分量、增强变频器的电磁兼容性而专门设计的滤波器。

　　根据变频器产品说明，满足EMC 要求的最大运行范围，通常和变频器开关频率以及变频器和电机之间的最大线缆长度有关。一般情况下，更高的开关频率，意味着更强的干扰。更长的线缆，意味着更大的共模电流将流过用以抑制干扰的共模扼流圈。如果实际应用的线缆超过变频器产品手册中定义的最大线缆长度，那么不符合限值的情况就会发生。另外，变频器内置的噪声抑制线圈甚至会发生饱和，导致整个滤波器完全失效。

　　EMC滤波器，又名"电磁兼容性滤波器",主要用于仪器仪表、自动化控制系统中，用来抑制和消除工业自动化系统现场的强电磁干扰和电火花干扰，勘正现场仪器仪表，保证自动化控制系统的安全可靠运行。EMC滤波器串接于现场仪器仪表、自动化控制设备的电源进线端，用于消除风机、水泵、压缩机、马达、水轮机、发电机、涡流机等各种大型感性设备启制动和运行期间产生的对电源的干扰；EMC滤波器串接于仪器仪表、自动化控制设备的继电器控制输出端，用于消除后级接触器、电磁阀、风机、水泵等各种感性负载通、断电期间产生电磁干扰和火花干扰。

　　现在我们对在不同应用条件下的配置有内置干扰抑制器件的商用变频器进行性能测试，以说明这两种EMC滤波器在变频器应用中的效果。
　　
　　1、长线缆驱动的问题
　　线缆是光缆、电缆等物品的统称。线缆的用途有很多，主要用于控制安装、连接设备、输送电力等多重左右，是日常生活中常见而不可缺少的一种东西。由于电缆带点，所以安装需要特别谨慎。

　　通常情况下，配有内置干扰抑制器件的变频器的最大运行线缆长度是5 m。带有内部干扰抑制器件的测试曲线如图1所示。被测变频器带有内部干扰抑制器件，电机线缆长度为5 m或50 m，电机功率为11 kW。在电机线缆长度为50 m的情况下，发生超过限值的情况。测试表明在满足这些条件下的最大传导发射满足EN55011/Class A 的要求。然而，如果变频器使用更长的线缆，那么电源线上的传导干扰将会增加，变频器内置滤波器将不能保证足够的噪声抑制。由于屏蔽线缆本身的高寄生电容所产生的共模电流也将随着线缆长度而增加，这些电流将导致内部滤波器的共模扼流圈饱和，因而EMC 的要求将很难被满足，配置外置滤波器成为了必要条件。　

　　在这个例子中，变频器配有50 m长的线缆。测试记录清楚的表明内部滤波器的线圈饱和，发出了嗡嗡的让人烦躁的噪声，因此必须配置外置滤波器来保证重新满足EMC 限值的要求。相应的配有外置滤波器，电机功率11 kW屏蔽线缆长度为50 m 的变频器的EMI 测试曲线如图2 所示。其中型号为BAOF超紧凑、低成本滤波器在此应用中被使用。

　  2、饱和的影响
　　吸入气中的某种气体分压高于体内该气体的张力时，气体按压差梯度扩散入机体。当该气体溶入体液和组织中的张力达到最大值时的状态。以烷烃为例，饱和链烃即烷烃，烷烃分子中碳原子之间的共价键全部为碳碳单键，其中碳原子皆为饱和碳原子，也就是说，烷烃分子中碳原子之间全部以碳碳单键结合成链状，碳原子剩余的价键全部跟氢原子相结合而达到饱和。

　　安装外置滤波器，配有和去掉内部共模线圈的对比测试曲线如图3 所示，显示干扰被降低了，但是仍然没有低于限值。证明此外置滤波器对于此拓扑情况并不适用，因为变频器内部的线圈已经饱和，并成为一个附加的干扰源，饱和线圈产生的干扰直接叠加在变频器自身的干扰信号上。这是因为当共模交流电流流过共模扼流圈的时候，并不断地使其饱和，由于其非线性特性，扼流圈表现类似于一个额外的宽带干扰源。因而线圈饱和的特性可以通过测试峰值（PK）和准峰值（QP）体现出来，可以看到峰值和准峰值已经超过限值。与此形成对比的是，线圈饱和对平均值（AV）的影响非常有限。因线圈饱和产生的宽带干扰相应的更清楚的被宽带PK 和QP探测器捕捉，而不是窄带探测器AV。　

　　乍看之下，在频率从几百kHz 到3 MHz 的范围内，配有内置线圈的测试曲线令人惊讶。这是因为共模扼流圈，其电感量由其铁氧体材料决定，不仅抑制共模干扰，而且具有非常低的漏感（漏感是由于部分磁场穿过空气而不是铁氧体介质所产生的）。这部分漏感并没有受到线圈饱和的影响而继续存在，但是它对其他因线圈饱和而超过限值的频段几乎毫无帮助。如果同一个变频器使用同样型号为BAOF的滤波器，但是去掉变频器内部扼流圈，结果显示就如图2，这样更容易满足限值。

　　正因为这个原因，去掉变频器内部的干扰抑制线圈。这是一个非常好的没有滤波的变频器效果展示，无内部滤波器的变频器仍含有一些抑制干扰的基本元件，如良好链接的电容器。内部电容是必要的，这样连接变频器和滤波器之间的电源线上的高频干扰将有效地被降低，以防止噪声耦合到滤波器电源线上。否则，连接线缆必须进行屏蔽处理。

　　然而真实情况是，如果用户使用带有包含共模扼流线圈的内部干扰抑制元件，那么就不可避免地要同时使用性能更高的外置滤波器，例如如图2 所示的型号为BAOF双节滤波器。被测变频器带有内部线圈，其电机线缆长度为50 m，电机功率11 kW，外置滤波器为BAOF作为内部干扰抑制器件的补充。

　　这样至少确保干扰低于相应的限值，满足了EMC的要求。测试曲线中峰值PK在频率至0.5 MHz时有剧烈的波动，这是因为内部扼流圈仍然在饱和状态下运行。然而，准峰值QP曲线将为平滑，明显低于限值。

　　3、并联的问题
　　当电源输入端的干扰随电机线缆长度而增强时，如果变频器同时带动多个并联电机，那么这个问题将会更为严重。我们可以将屏蔽线缆视为一个包含多个串联电感以及多个电容并联并接地的简化电路（多个仔型电路串连），这些对地电容部分并联，而总对地电容量随着并联线缆的增加而增加。然而，另一方面，屏蔽线缆的等效电路非常复杂，因为线上电感的存在，两个线缆并联并不等同于两个寄生电容并联。　

　　然而，变频器带动两个并联电机（此例子中是一个功率为7.5 kW和11 kW 的电机），每个电机以25 m长的线缆连接，这种配置要比单个电机、50 m长线缆的配置的要求更高，两个电机并联的测试曲线如图4所示。安装外置BAOF滤波器，是配有和去掉内置干扰抑制器件的对比测试曲线，将图2 和图4进行对比，由图可知，线缆长为25 m 的两个电机产生的干扰明显高于线缆长为50 m的电机。这种现象同样可以在去掉变频器内部线圈后的对比测试中重现。如果使用低成本滤波器BAOF，可以实现低于限值的目标，即使在内部线圈被去掉的情况下，但是余量相对于单个电机50 m线缆的情况要明显小了很多。

　　变频器业界的专家、学者、企业家、用户共聚一堂，历数我国变频器行业一年来取得的骄人成绩。虽然我国变频器市场仍旧是欧、美、日十大品牌占据主流，但我国变频器的十大品牌正在迅速的崛起，高水平的高压变频器已经能和国外的品牌匹敌，并且占有的市场分额逐年迅速增加。这是令变频器业界击鼓相庆可喜可贺的大事。但是我们也应当清醒的认识到，和欧美、日产品相比，我国变频器的产量、质量、品种和生产厂家的规模的差距还是不小，业界的同仁们应当利用我国正在大力提倡建设节约型社会、创新型国家的东风，缩小和欧美、日产品的差距。