變頻器附加電抗器的設(shè)計與選用

王納林，王 曉

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，陜西咸陽712000；2.西安北方光電集團有限公司，陜西西安710043）

0 引言

變頻器技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到飛速發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，促進了節(jié)能減排，降低了電力線路電壓波動，極大地提高了工業(yè)電氣自動化控制技術(shù)水平。但隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷推廣、普及、應(yīng)用，變頻器不同功率型號配套的附加電抗器設(shè)計、選配問題就越來越多地凸顯出來。如變頻器如何設(shè)計、選配與制作合適的無線電干擾抑制電抗器、電源側(cè)交流電抗器、直流電抗器、輸出側(cè)交流電抗器等，是許多變頻器制造、銷售、維護、使用操作者急需解決的問題。

本研究就不同功率型號變頻器配套的附加電抗器設(shè)計、選配與制作方案進行有益的探討，該方案適用于變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用的各行各業(yè)，對提高和改善變頻調(diào)速系統(tǒng)性能有一定的借鑒作用［1］。

1 無線電干擾抑制電抗器

變頻器輸出的波形是脈寬調(diào)制（SPWM）波，它包含了大量的高次諧波，這些高次諧波分量處于射頻范圍，運行中的變頻器可通過電源輸入導(dǎo)線和輸出導(dǎo)線向外發(fā)射無線電干擾信號，又由于電網(wǎng)上各種干擾信號和突變浪涌電壓也可干擾到變頻器控制回路敏感部件，致使其發(fā)生誤動作，必須接入無線電干擾抑制電抗器。無線電干擾抑制電抗器使用三相進線（對單相是兩相進線），同方向在鐵芯或鐵氧磁芯上繞制的電感，因三相三線的正弦交流電瞬時值之和為零，對正常供電電抗器不起作用，而對于電源共模電壓該電抗器起到阻擋作用，抑制了共模干擾，起到良好的抑制無線電干擾作用。一般抑制的頻段在9 MHz，通常電感量控制在3 mH～30 mH 左右，無線電干擾抑制電抗器的連接如圖1所示。對小容量變頻器因電流小，線圈繞在同一磁芯上，三相線同方向繞幾匝。對大容量變頻器，因電流大而導(dǎo)線粗且不好彎曲，則用多個磁芯，讓三相線同時穿過磁芯孔即可構(gòu)成電抗器［2］。

圖1 無線電干擾抑制電抗器

2 電源側(cè)交流電抗器

電壓型通用變頻器“交—變—直”整流后經(jīng)電容濾波，由于電容器的使用使得輸入電流呈尖峰脈沖狀，當(dāng)電網(wǎng)阻抗小時，這種電流尖峰脈沖值極大，其波形如圖2所示，造成很大的諧波干擾，并使變頻器整流橋和電容器容易損壞。當(dāng)變壓器容量大于變頻器容量9倍以上，電網(wǎng)配電變壓器和輸電線路的內(nèi)阻不能阻止尖峰脈沖電流時，對于同一電網(wǎng)上有晶閘管設(shè)備或開關(guān)方式控制的功率因數(shù)補償裝置時，在三相電源不平衡度大于3%以上時，必須使用電源側(cè)交流電抗器［3］。

圖2 尖峰脈沖電流波形

一般而言，采用電壓源逆變器電源側(cè)交流電抗器的電感量采用3%阻抗即可防止突變電流尖峰脈沖造成的接觸器跳閘，使總諧波電流畸變下降到以前的44%左右。一般常選用3%～4%的壓降阻抗，這個百分?jǐn)?shù)是對相電壓而言，即：

式中：Δu—電壓降落，uF—相電壓，uN—線電壓。

三相時，輸入側(cè)交流電抗器電感值：

式中：ILmax—電感流過的最大電流。

例如：對380 V、90 kW、50 Hz、170 A 的變頻器，需要配置輸入側(cè)交流電抗器的電感量為：

?。弘姼辛?.075 6 mH～0.152 mH，額定電流170 A，一般選電感量值在0.123 mH左右的電抗器即可。

對于使用者而言，既需考慮電流值又需考慮電感值，電流值一般要大于等于額定值，電感值略大于計算值，有利于減少諧波分量，但電壓降會超過4%。若電源變壓器功率大于9 倍變頻器功率，且線路距離較近時，不僅需要使用輸入側(cè)交流電抗器，而且要選擇較大的電感量值，如選用3～5倍阻抗的電感量值［4］。

3 直流電抗器

直流電抗器接在濾波電容器前端，它阻止了進入電容器整流后的沖擊電流脈沖幅值，并改善功率因數(shù)，降低母線交流脈動。直流電抗器在變頻器功率大于20 kW 以上容量時必須采用。當(dāng)變頻器功率較大時，若未使用直流電抗器，變頻器的電容濾波會造成電流波形嚴(yán)重畸變而影響電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量，減少變頻器內(nèi)部整流橋和濾波電容的使用壽命［5］。

直流電抗器的電感量值一般為變頻器輸入側(cè)交流電抗器3%電感量的2～3倍，即：LDC=(2～3)LAC。

例如：對三相380 V、90 kW變頻器所配直流電抗器計算（參見上例）：

LDC=(2～3)LAC=(2～3)×0.123=(0.246～0.369)mH

取電感量值為0.25 mH，額定電流170 A 即可（查手冊為0.2 mH）。

4 輸出側(cè)交流電抗器

變頻器的輸出是經(jīng)SPWM調(diào)制的電壓波形，因此電流基本上是正弦波，SPWM 有著陡峭的電壓上升和下降的前、后沿，即dv/dt很大，使得輸出引線向外界發(fā)射含量極大的電磁干擾，并且在引出線對地、電動機繞組匝間、繞組對地產(chǎn)生很強的脈沖電流，SPWM 電壓、電流的波形如圖3所示［6］。

圖3 SPWM電壓、電流的波形

為了減輕變頻器輸出dv/dt對外界的干擾，降低輸出波形畸變，達到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，減少對電動機繞組的電壓沖擊造成絕緣損壞，降低電動機的溫升和噪音，輕載短路造成對變頻器的損壞，研究者必須在變頻器輸出端增設(shè)交流電抗器。

值得指出的是變頻器輸出脈沖電壓通過長距離輸電線時，由于線路長度超過臨界長度后波的反射疊加使得電壓有可能達到直流母線（變頻器內(nèi)）電壓的2倍，變頻器輸出導(dǎo)線長度受到限制。為解決該問題，系統(tǒng)必須接入輸出側(cè)交流電抗器。接人后電動機負(fù)載上的電壓波形就接近正弦波形了［7］。

但實際使用中，只要負(fù)載是感性的，電抗器可采用1%阻抗或更低一些，這是因為SPWM調(diào)制頻率遠(yuǎn)高于基波頻率。輸出側(cè)交流電抗器電感量為（單位：mH）：

例如：380 V、90 kW、50 Hz、170 A 變頻器的輸出側(cè)交流電抗器的選用公式為（單位：mH）：

取電感值在0.041 mH左右，額定電流170 A的電抗器即可。

輸出側(cè)交流電抗器的電感接法有一定講究，繞制在磁芯上的導(dǎo)線頭尾的位置關(guān)系到電感向外發(fā)射干擾能量的大小程度。輸出側(cè)交流電抗器斷面結(jié)構(gòu)如圖4所示，繞組的頭一般l 在里層，尾2在外層，因此l 接變頻的輸出側(cè)，2 接負(fù)載電動機為較好，這樣，變頻器輸出端的強干擾被外層屏蔽，減少干擾信號向外發(fā)射［8］。

圖4 輸出側(cè)交流電抗器斷面結(jié)構(gòu)

輸出側(cè)交流電抗器的抑制頻率范圍較高，因此，通過使用鐵氧體磁芯減少損耗，但體積較大。研究者在使用變壓器接入變頻器與負(fù)載之間時，變壓器輸入繞組的漏抗和自身損耗會大大削弱調(diào)制波，起到了輸出側(cè)電抗器的作用，就可以省略輸出側(cè)交流電抗器［9］。

5 附加電抗器設(shè)計與選配方案

經(jīng)反復(fù)實驗與研究并結(jié)合筆者多年實踐工作經(jīng)驗的積累，本研究提供的不同功率型號變頻器配套的附加電抗器設(shè)計與選配方案如表1所示。

6 結(jié)束語

當(dāng)今變頻調(diào)速技術(shù)迅猛發(fā)展，變頻器的使用越發(fā)廣泛普及，規(guī)范變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計、選配與制作比較合適的無線電干擾抑制電抗器、電源側(cè)交流電抗器、直流電抗器、輸出側(cè)交流電抗器方案日顯重要，使其變頻調(diào)速系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠、故障率低，控制其符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不僅可以提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率，而且還會獲取好的經(jīng)濟效益；并且對節(jié)能、環(huán)保、提高電網(wǎng)供電質(zhì)量等社會效益同樣有著及其重要意義。本研究給出的不同功率型號變頻調(diào)速控制系統(tǒng)各類附加電抗器的設(shè)計、選配與制作方案，源于多年的實踐經(jīng)驗總結(jié)，期盼能對從事變頻器系統(tǒng)附加電抗器的設(shè)計與選用的同行們在以后的應(yīng)用中有所幫助［10］。

表1 附加電抗器設(shè)計與選配方案推薦表

（References）：

［1］譚 林.變頻器安裝及使用中應(yīng)注意的幾點問題［J］.電工技術(shù)，2004（3）：39-59.

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［3］何 超.交流變頻調(diào)速技術(shù)原理［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［4］全 剛.變頻器諧波干擾防治實例［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2003，22（7）：76-78.

［5］王廷才.變頻器原理及應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［6］曲海波，譚業(yè)軍.通用型變頻器的接線注意事項［J］.機床電器，2006，33（2）：41-42.

［7］韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［8］孫偉林.淺談變頻器產(chǎn)生諧波干擾及其對策［J］.石油化工安全技術(shù)，2000（4）：39-41.

［9］劉宇卿，王志強，高 飛，變頻器運行中的干擾與對策［J］.冶金電氣，2010（12）：81-83.

［10］張 力.淺析變頻器的工程實踐［J］.機電信息，2011（33）：74-75.