如何选用电抗器和滤波器？

由于变频器是通过6组脉宽可调的SPWM波控制三相6组功率元件导通、关断，从而形成电压、频率可调的三相输出电压，其输出电压和输出电流是由SPWM波和三角载波的交点产生的，不是标准的正弦波，包含较强的谐波成分，将对同一电网上的其他用电设备产生很强的干扰，甚至造成不能使用；同时由于其他设备起动或工作时对电网造成冲击，或电网自身出现的电压波动、浪涌对变频器也产生干扰，影响其正常工作，甚至造成变频器损坏。

大量工程实践证明，为了减小变频器对其他设备和电网的干扰，同时防止电网和其他干扰源对变频器的干扰，在变频器的输入、输出端配置滤波器、交流电抗器、平波电抗器等抗干扰设备是有效地抑制干扰的措施。变频调速系统采用的电抗器分为铁心电抗器与铁氧体电抗器，两者的最佳应用条件是：

1）铁心电抗器适用于频率在50～200Hz的变频调速系统，作为进线电抗器及输出电抗器。

2）铁氧体电抗器适用于异步电动机额定频率（弱磁频率）为200Hz，最大频率为300Hz，磁阻电动机或永磁同步电动机、最大频率为600Hz的变频调速系统，作为进线电抗器及输出电抗器。

1.输入电抗器

变频器将电网的交流电压转变为直流电压经整流后都经电容器滤波，电容器的使用使输入电流呈尖峰脉冲状，当电网阻抗小时，这种尖峰脉冲电流极大，造成很大的谐波干扰，并使变频器整流桥和电容器容易损坏。输入电抗器串联在电源进线与变频器输入侧（R、S、T），用于抑制输入电流的谐波，减少电源浪涌对变频器的冲击，改善三相电源的不平衡性，提高输入电源的功率因数（提高到0.75～0.85）。交流变频调速系统输入侧设置的交流电抗器或EMC滤波器，应根据变频器安装场所的其他用电设备对电网品质的要求（若变频器工作时已影响这些设备正常运行，可在变频器输入侧设置交流电抗器或EMC滤波器），来抑制由功率元件通断引起的谐波和传导辐射。若与变频器连接的电网的变压器中性点不接地，则不能选用EMC滤波器。

电源侧的交流输入电抗器用于改善输入电流波形，提高整流器和滤波电容器的寿命，减少不良输入电流波形对电网的干扰，协调同一电源网上晶闸管变换器造成的波形影响，减少功率切换和三相不平衡的影响，因此也称为电源协调电抗器，输入电抗器L_A1能够限制电网电压突变和操作过电压引起的电流冲击，有效地保护变频器和改善其功率因数。变频调速系统接入与未接入输入电抗器时，输入电网的谐波电流的情况如图2⁃9所示。从图2⁃9可以看出，接入电抗器后能有效地抑制谐波电流。电抗器的作用是防止变频器产生的谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他用电设备。

根据运行经验，在下列场合应考虑安装输入电抗器，才能保证变频器安全可靠的运行。

1）变频器所接电源的容量与变频器容量之比为10∶1以上，电源容量为600kVA及以上，且变频器安装位置离大容量电源在10m以内。需要安装进线电抗器的电源如图2-10所示。

图2-9 输入电网的谐波电流的情况

图2-10 需要安装进线电抗器的电源

2）三相电源电压不平衡率大于3%，电源电压不平衡率K可按下式计算：

式中，U_max为最大一相电压；U_min为最小一相电压；U_p为三相平均电压。

3）其他晶闸管整流装置与变频器共用同一进线电源，或进线电源端接有通过开关切换调整功率因数的电容器装置。

（1）输入电抗器容量的选择

输入电抗器的容量可按预期在电抗器每相绕组上的压降来决定。一般选择压降为网侧相电压的2%～4%，也可按表2⁃3的数据选取。

输入电抗器的电感量L可按下式计算：

式中，U_V为交流输入相电压有效值（V）；ΔU_L为电抗器额定电压降（V）；I_n为电抗器额定电流（A）；f为电网频率（Hz）。

输入电抗器的电感量L也可由下面的公式计算：

L=（2%～5%）U/6.18fI（2-31）

式中，U为额定电压（V）；I为额定电流（A）；f为最大频率（Hz）。

输入电抗器的压降不宜取得过大，压降过大会影响电动机转矩。一般情况下选取进线电压的4%，在较大容量的变频器中，如75kW以上可选用4.5%的压降。

表2-3 网侧输入电抗器的压降

（2）输入电抗器的额定电流I_L的选用

单相变频器配置的输入电抗器的额定电流I_L，按等于变频器的额定电流I_N选取；三相变频器配置的输入电抗器的额定电流I_L，按变频器的额定电流I_N×0.82选取。电压型变频器电源侧交流电抗器的电感量，采用3%阻抗即可使总谐波电流畸变下降到原先的44%左右。选用2%～4%的压降阻抗是对相电压而言，即：

式中，ΔU为电压压降；U_P为相电压；U_N为线电压。

三相时，输入侧交流电抗器的电感值为

式中，I_Lmax为电感流过的最大电流。

例如：对380V、90kW、50Hz、170A的变频器，需要配置输入侧交流电抗器的电感量为

可以选择工作电流为170A，电感值在0.123mH左右的电抗器。在工程设计中需考虑电感值和电流值两方面，电流值一定要大于等于额定值，电感值略偏大有利于减少谐波，但电压降会超过3%。设计中还要考虑电源内部阻抗，电源变压器功率大于10倍变频器功率，而且线路很短的场合，电源内阻小，不仅需要使用输入侧交流电抗器，而且要选择较大的电感值，例如选用4%～5%阻抗的电感量。

2.输出电抗器

变频器的输出是经PWM调制的电压波，调制波形如图2⁃11所示。由于电动机绕组的电感性质能使电流连续，因此电流基本上是正弦形的，脉冲宽度调制（PWM）有着陡峭的电压上升和下降的前后沿，即du/dt很大，使得输出引线向外发射含量极大的电磁干扰，并且在引出线对地、电动机绕组匝间、绕组对地间都产生很大的脉冲电流。

为了减轻变频器输出du/dt对外界的干扰，降低输出波形畸变，达到环保标准，减少对电动机绕组的电压冲击造成绝缘损坏，降低电动机的温升和噪声，避免在变频器输出功率晶体管上因du/dt和流过过大的脉冲冲击电流使功率管损坏，以及降低负载短路对变频器造成的损伤，有必要在变频器输出端增设交流电抗器。

图2-11 调制波形

a）经电动机绕组电感作用形成的电流波形

b）由变频器输出的SPWM电压波形

值得指出的是脉冲电压通过长的输电线时，由于长线上波的反射叠加使得在长线（即变频器输出导线）超过临界长度后，电压有可能达到直流母线（变频器内直流母线）电压的2倍。因此变频器输出线长度受到了限制，为解除这种限制，必须接入输出侧交流电抗器。接入后，送到电动机等负载上的波形接近正弦电压波形。

当变频器和电动机之间的接线超长时，随着变频器输出电缆的长度增加，其分布电容明显增大，从而造成变频器逆变输出的容性尖峰电流过大，引起变频器保护动作，因此必须使用输出电抗器或du/dt滤波器或正弦波滤波器等装置对这种容性尖峰电流进行限制。

输出滤波电抗器用于补偿在电动机电缆长距离敷设时引起的线路电容充电电流，也可抑制谐波。在多电动机传动时，可接入一台输出滤波电抗器，总电缆长度是每台电动机电缆长度的总和。

输出电抗器串联在变频器输出侧（U、V、W）和电动机之间，限制电动机连接电缆的容性充电电流和电动机绕组的电压上升率，减小变频器功率元件动作时产生的干扰和冲击。在变频器与负载电动机之间连接电缆超过50m时应配置输出电抗器。在变频器的输出侧使用交流电抗器可平滑滤波，减少瞬变电压du/dt的影响，并可得到以下的改善：

1）降低了电动机的噪声。

2）降低了输出谐波造成的漏电流。

3）减少了电磁干扰。

4）保护了变频器内部的功率开关器件。

5）延长了电动机的绝缘寿命。

输出电抗器有助于改善变频器的过电流和过电压，变频器和电动机之间采用长电缆或向多电动机供电时，由于变频器工作频率高，连接电缆的等效电路成为一个大电容，而引起下列问题：

1）电缆对地电容给变频器额外增加了峰值电流。

2）由于高频瞬变电压，给电动机绝缘额外增加了瞬态电压峰值。

输入电抗器L_A1、输出电抗器L_A2和直流电抗器L_DC在变频调速系统中的连接如图2-12所示。输出电抗器的主要作用是补偿长线分布电容的影响，并能抑制变频器输出的谐波，起到减小变频器噪声的作用。有些变频器产品使用说明书中提供了有输出电抗器与无输出电抗器时，连接电动机的导线允许的最大长度。输出滤波电抗器与允许导线长度的数据见表2⁃4。

图2-12 三种电抗器在变频调速系统中的连接

表2-4 输出滤波电抗器与允许导线长度的数据

在实际使用中，只要负载是电感性的，电抗器可采用1%阻抗或更低一些都是可行的，因为PWM调制频率远高于基波频率，因此，输出侧交流电抗器的电感量可按下式计算：(www.xing528.com)

例如：380V、90kW、50Hz、170A变频器的输出侧交流电抗器的计算如下：

图2-13 变频器输出侧交流电抗器的断面结构

选择电感值在0.041mH左右，工作电流为170A的电抗器即可。输出侧交流电抗器绕制在磁心上的导线头尾的位置，关系到电感向外发射干扰能量的程度，变频器输出侧交流电抗器的断面结构如图2⁃13所示，绕组头1在里层，尾2在外层，因此1接变频器的输出，2接负载电动机较好，这样，变频器输出端的强干扰被外层屏蔽，减少干扰向外发射。

输出侧交流电抗器的抑制频率若在较高频率范围，应使用铁氧体磁心，以减少损耗，但体积较大。在变频器与负载之间若设有变压器，变压器输入绕组的漏抗和变压器损耗大大削弱调制波，起到了输出侧电抗器的作用，因此可以省略输出侧交流电抗器。

3.直流电抗器

直流电抗器也叫平波电抗器，串联在直流母线中（端子P1、P+），主要是减小输入电流的谐波成分，提高输入电源的功率因数（提高到0.95）。此电抗器可与交流电抗器同时使用，变频器功率大于30kW时才考虑配置直流电抗器。

直流电抗器接在滤波电容前，它抑制进入电容的整流后冲击电流的幅值，并改善功率因数、降低母线交流脉动。变频器功率越大，越应该使用直流电抗器，因为没有直流电抗器时，变频器的电容滤波会造成电流波形严重畸变而使电网电压波形严重畸变，而且非常有损变频器的整流桥和滤波电容的寿命。

直流电抗器用于改善电容滤波（当前电压型变频调速器的主要滤波方式是电容滤波）造成的输入电流波形畸变和改善功率因数、减少和防止因冲击电流造成整流桥损坏和电容过热，当电源变压器和输电线路电阻较小时、电网瞬变频繁时都需要使用直流电抗器。直流电抗器可使逆变环节运行更稳定，并能限制短路电流。

直流电抗器电感值的选择一般为变频器输入侧交流电抗器3%阻抗电感量的2～3倍，最少为1.7倍，即

L_CD=（2～3）L_AC（2⁃35）

例：对三相380V、90kW变频器所配直流电抗器的计算值为

L_CD=（2～3）L_LA1=（2～3）×0.123=（0.246～0.369）mH

选择工作电流为170A，电感量为0.2mH的电抗器。

4.滤波器

在变频器输入、输出电路中，有许多高频谐波电流，滤波器用于抑制变频器产生的电磁干扰噪声的传导，也可抑制外界无线电干扰以及瞬时冲击、浪涌对变频器的干扰。根据使用位置的不同可以分为线路滤波器、辐射滤波器和输出滤波器。

1）线路滤波器。线路滤波器串联在变频器控制回路侧，由电感线圈组成，具有良好的共模和差模干扰抑制能力，通过增大电路的阻抗减小频率较高的谐波电流。在需要使用外控端子控制变频器时，如果控制回路电缆较长，外部环境的干扰有可能从控制回路电缆侵入，造成变频器误动作，此时将线路滤波器串联在控制回路电缆上，可以消除干扰。

2）辐射滤波器。辐射滤波器并联在变频器输入侧（R、S、T），由高频电容器组成，可以吸收频率较高、具有辐射能量的谐波成分，用于降低沿电源线传输的无线电干扰噪声。线路滤波器和辐射滤波器同时使用效果更好。

3）输出滤波器。各种高速开关器件的使用提高了变频器的性能，降低了开关损耗，但由此也产生了一些负面问题。因变频器的输出含有高频谐波，从而使电缆、电动机和变压器的损耗增加。另外，由于高速开关器件的使用使变频器输出PWM波的du/dt很高，一方面会引起高达数兆赫兹的电磁干扰问题，另一方面在使用长线电缆传输时，由于行波反射而引起电动机端过电压，使电动机绝缘损坏，电缆爆裂。

对于谐波电流问题，可以通过改变调制波形等方法使谐波分量降低，但并不能消除。对于由于高速开关引起的过电压问题，可以采用du/dt抑制滤波器，但只能对一定长度的电缆适用，并不适用于任意长度的电缆。能同时解决以上问题的有效方法是在变频器的输出侧加装RLC正弦波滤波器。将PWM波形滤成近似正弦电压波形，输出电压的THD（Total Har⁃monic Distortion）值可以低于5%。由于RLC滤波器具有结构简单、可靠性高及容量大等特点，在变频器输出滤波器设计中是首选方案。输出滤波器串联在变频器输出侧（U、V、W），由电感线圈组成，可以减小输出电流中的谐波成分，抑制变频器输出侧的浪涌电压，同时可以减小电动机由高频谐波电流引起的附加转矩。输出滤波器到变频器和电动机的接线尽量缩短，滤波器亦应尽量靠近变频器。

5.变频器的漏电流

由于变频器输出的波形不是标准的正弦波，携带有谐波成分，因此漏电流比正常情况要大。变频器漏电流与两个因素有关：载波频率、变频器输出到电动机电缆的长度。载波频率越高，漏电流越大；电缆长度越长，漏电流也越大。因此，在不影响使用的情况下尽量将变频器的载波频率调低一些；尽量使用屏蔽电缆、缩短变频器到电动机的距离，或者设置输出电抗器。

在变频器输入、输出引线和电动机内部均存在分布电容，且低噪声型变频器使用的载波频率较高。因此，变频器对地漏电流较大（大容量机种更为明显），其值正比于分布电容量，漏电流有时会导致保护电路误动作。遇到上述问题时，除适当降低载波频率，缩短引线外，为了保护设备和人身安全，可在变频器的进线侧安装漏电断路器。漏电断路器的动作电流应大于该线路在工频电源下不使用变频器时的漏电流（线路、无线电噪声滤波器、电动机等漏电流的总和）的10倍。

当选用变频器专用的漏电断路器时，其额定灵敏电流为

当选用一般的漏电断路器时，其额定灵敏电流为

式中，I_g1为工频电源运行时变频器输入回路的漏电流；I_g2为工频电源运行时变频器输出回路的漏电流；I_gn为变频器输入侧噪声滤波器的漏电流；I_gm为工频电源运行时电动机的漏电流。

如果上式中的漏电流基本数据不好确定，对于变频器专用漏电断路器的额定灵敏电流按每台变频器20mA估算，一般漏电断路器的额定灵敏电流按每台变频器50mA估算。

6.电抗器的设计计算和测定

（1）三相交流输入电抗器的设计计算

当选定了电抗器的额定电压降ΔU_L，再计算出电抗器的额定工作电流I_n以后，就可以计算电抗器的感抗X_L。电抗器的感抗X_L由式（2-38）计算：

有了以上数据便可以对电抗器进行结构设计，电抗器铁心截面积S与电抗器压降ΔU_L的关系如式（2-39）所示：

式中，f为电源频率（Hz）；B为磁通密度（T）；N为电抗器的线圈圈数；K_S为铁心迭片系数，取K_S=0.93。

电抗器铁心窗口面积A与电流I_n及线圈匝数N的关系如式（2-40）所示：

式中，j为电流密度，根据容量大小可按2～2.5A/mm²选取；K_A为窗口填充系数，约为0.4～0.5。

铁心截面积与窗口面积的乘积关系如式（2-41）所示：

由式（2-41）可知，根据电抗器的容量P_K（=ΔU_LI_n）值，选用的铁心截面积与窗口面积的乘积符合式（2-41）的关系。假设选用B=0.6T，j=200A/cm²，K_S=0.93，K_A=0.45，设A=1.5S，则电抗器铁心截面积与容量的关系为

电抗器铁心的截面积：

铁心截面积求出后，即可按下式求出线圈匝数：

为了使输入电抗器有较好的线性度，在铁心中应有适当的气隙。气隙大小可先选定在2～5mm内，通过实测电感值调整气隙以改变电感量。

（2）电抗器电感量的测定

1）直流电抗器L_DC电感量的测定。铁心电抗器的电感量和它的工作状况有很大关系，而且是呈非线性的，所以应尽可能使电抗器处于实际工作条件下进行测量。图2-14所示是直流电抗器的电感测量电路，在电抗器上分别加上直流电流I_d与交流电流I_j，用电容C=200μF隔开交直流电路，测出L_DC两端的交流电压U_j与交流电流I_j，可由式（2-45）、式（2-46）近似计算电感值L。

2）交流电抗器电感量的测定。带铁心的交流电抗器的电感量不宜用电桥测量，因为测量电感电桥的电源频率一般是采用1000Hz，因此测量电感电桥只可用于测量空心电抗器。

对于用硅钢片叠制而成的交流电抗器，电感量的测量可采用工频电源的交流电压、电流表法，交流电抗器电感测量电路如图2-15所示。通过电抗器的电流可以略小于额定值，为求准确可以用电桥测量电抗器线圈内阻r_L，每相电感值可按式（2-47）计算：

图2-14 直流电抗器的电感测量电路

图2-15 交流电抗器电感测量电路

式中，U为交流电压表的读数（V）；I为交流电流表的读数（A）；r_L为电抗器每相线圈内阻（Ω）。

由于电抗器线圈内阻r_L很小，在工程计算中常可忽略。