濾波器在變頻系統中的應用

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　　變頻器是一個高諧波的發生源，在變頻器的輸出側測試其諧波含量，可測到高達70%以上的電流畸變率，嚴重影響了其他用電器的安全運行。近年來，發現在使用多臺變頻器的場合，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，變頻器會莫名其妙的發生故障，但在停機重新啟動后，故障消失。諸如此類"故障"的現象繁多，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，對電網及其它數字電子設備產生干擾的頻譜分量、增強變頻器的電磁兼容性而專門設計的濾波器。

　　根據變頻器產品說明，滿足EMC 要求的最大運行范圍，通常和變頻器開關頻率以及變頻器和電機之間的最大線纜長度有關。一般情況下，更高的開關頻率，意味著更強的干擾。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。如果實際應用的線纜超過變頻器產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發生。另外，變頻器內置的噪聲抑制線圈甚至會發生飽和，導致整個濾波器完全失效。

　　EMC濾波器，又名"電磁兼容性濾波器",主要用于儀器儀表、自動化控制系統中，用來抑制和消除工業自動化系統現場的強電磁干擾和電火花干擾，勘正現場儀器儀表，保證自動化控制系統的安全可靠運行。EMC濾波器串接于現場儀器儀表、自動化控制設備的電源進線端，用于消除風機、水泵、壓縮機、馬達、水輪機、發電機、渦流機等各種大型感性設備啟制動和運行期間產生的對電源的干擾；EMC濾波器串接于儀器儀表、自動化控制設備的繼電器控制輸出端，用于消除后級接觸器、電磁閥、風機、水泵等各種感性負載通、斷電期間產生電磁干擾和火花干擾。

　　現在我們對在不同應用條件下的配置有內置干擾抑制器件的商用變頻器進行性能測試，以說明這兩種EMC濾波器在變頻器應用中的效果。
　　
　　1、長線纜驅動的問題
　　線纜是光纜、電纜等物品的統稱。線纜的用途有很多，主要用于控制安裝、連接設備、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，所以安裝需要特別謹慎。

　　通常情況下，配有內置干擾抑制器件的變頻器的最大運行線纜長度是5 m。帶有內部干擾抑制器件的測試曲線如圖1所示。被測變頻器帶有內部干擾抑制器件，電機線纜長度為5 m或50 m，電機功率為11 kW。在電機線纜長度為50 m的情況下，發生超過限值的情況。測試表明在滿足這些條件下的最大傳導發射滿足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干擾將會增加，變頻器內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生的共模電流也將隨著線纜長度而增加，這些電流將導致內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。　

　　在這個例子中，變頻器配有50 m長的線纜。測試記錄清楚的表明內部濾波器的線圈飽和，發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。相應的配有外置濾波器，電機功率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。其中型號為BAOF超緊湊、低成本濾波器在此應用中被使用。

　  2、飽和的影響
　　吸入氣中的某種氣體分壓高于體內該氣體的張力時，氣體按壓差梯度擴散入機體。當該氣體溶入體液和組織中的張力達到最大值時的狀態。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合成鏈狀，碳原子剩余的價鍵全部跟氫原子相結合而達到飽和。

　　安裝外置濾波器，配有和去掉內部共模線圈的對比測試曲線如圖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于此拓撲情況并不適用，因為變頻器內部的線圈已經飽和，并成為一個附加的干擾源，飽和線圈產生的干擾直接疊加在變頻器自身的干擾信號上。這是因為當共模交流電流流過共模扼流圈的時候，并不斷地使其飽和，由于其非線性特性，扼流圈表現類似于一個額外的寬帶干擾源。因而線圈飽和的特性可以通過測試峰值（PK）和準峰值（QP）體現出來，可以看到峰值和準峰值已經超過限值。與此形成對比的是，線圈飽和對平均值（AV）的影響非常有限。因線圈飽和產生的寬帶干擾相應的更清楚的被寬帶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，配有內置線圈的測試曲線令人驚訝。這是因為共模扼流圈，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所產生的）。這部分漏感并沒有受到線圈飽和的影響而繼續存在，但是它對其他因線圈飽和而超過限值的頻段幾乎毫無幫助。如果同一個變頻器使用同樣型號為BAOF的濾波器，但是去掉變頻器內部扼流圈，結果顯示就如圖2，這樣更容易滿足限值。

　　正因為這個原因，去掉變頻器內部的干擾抑制線圈。這是一個非常好的沒有濾波的變頻器效果展示，無內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，連接線纜必須進行屏蔽處理。

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

　　這樣至少確保干擾低于相應的限值，滿足了EMC的要求。測試曲線中峰值PK在頻率至0.5 MHz時有劇烈的波動，這是因為內部扼流圈仍然在飽和狀態下運行。然而，準峰值QP曲線將為平滑，明顯低于限值。

　　3、并聯的問題
　　當電源輸入端的干擾隨電機線纜長度而增強時，如果變頻器同時帶動多個并聯電機，那么這個問題將會更為嚴重。我們可以將屏蔽線纜視為一個包含多個串聯電感以及多個電容并聯并接地的簡化電路（多個仔型電路串連），這些對地電容部分并聯，而總對地電容量隨著并聯線纜的增加而增加。然而，另一方面，屏蔽線纜的等效電路非常復雜，因為線上電感的存在，兩個線纜并聯并不等同于兩個寄生電容并聯。　

　　然而，變頻器帶動兩個并聯電機（此例子中是一個功率為7.5 kW和11 kW 的電機），每個電機以25 m長的線纜連接，這種配置要比單個電機、50 m長線纜的配置的要求更高，兩個電機并聯的測試曲線如圖4所示。安裝外置BAOF濾波器，是配有和去掉內置干擾抑制器件的對比測試曲線，將圖2 和圖4進行對比，由圖可知，線纜長為25 m 的兩個電機產生的干擾明顯高于線纜長為50 m的電機。這種現象同樣可以在去掉變頻器內部線圈后的對比測試中重現。如果使用低成本濾波器BAOF，可以實現低于限值的目標，即使在內部線圈被去掉的情況下，但是余量相對于單個電機50 m線纜的情況要明顯小了很多。

　　變頻器業界的專家、學者、企業家、用戶共聚一堂，歷數我國變頻器行業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。這是令變頻器業界擊鼓相慶可喜可賀的大事。但是我們也應當清醒的認識到，和歐美、日產品相比，我國變頻器的產量、質量、品種和生產廠家的規模的差距還是不小，業界的同仁們應當利用我國正在大力提倡建設節約型社會、創新型國家的東風，縮小和歐美、日產品的差距。