电抗器、滤波器的使用

应用探讨——电抗器、滤波器的使用——发帖整理
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2012-03-21 14:43:56楼主
在变频器使用中，经常会在进线侧和出线侧加电抗器、滤波器，现场操作人员和调试工程师经常会有这样的疑问：为什么要使用电抗器、滤波器？它们的原理和作用是什么？能解决哪些问实际问题？所以本次讨论针对以上问题，欢迎大家就以下内容展开讨论：
1）输入电抗器能抑制谐波吗?
2）输入电抗器能解决逆变器共直流母线时的环流问题吗? 环流又是怎么产生的？
3）输出电抗器能解决电机轴电流和反射电压的问题吗？轴电流，反射电压又是如何产生？
4）输入滤波器，ＬＣ滤波器，谐波滤波器等各起什么作用？
5）电抗器、滤波器参数值的计算方法是什么？
6）使用电抗器和滤波器要注意哪些问题? 例如加输出电抗器，最大开关频率会有所限制，原因何在？
在近一个月的时间，大家对此话题进行了深入的讨论，内容包括。

1）输入和输出电抗器的作用。

2 ）输入滤波器，ＬＣ滤波器，谐波滤波器。

3）电抗器、滤波器参数值的计算方法.
相对而言，讨论更多的集中在电抗器方面。

以下为本次探讨的发帖整理，查看原始交流内容请点击此处。

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2012-03-21 14:44:371楼
1、和输出电抗器的作用
quote:以下是引用yming在2012-01-11 10:22:56的发言：
加精支持。

修改：在600KVA以上变压器。

原因：变压器内阻太小，冲击电流太大。

总之，是利用电感元件的“电流不能突变”的特性，应用到所有需要抑制有可能电流突变的场合。

当电压（瞬时）波动时，如果有导致电流变化的趋势，电抗器产生反向自感电动势抵消电压变化，减缓电流波动。

从而满足应用要求。

因此，可以说，电抗器有抑制电压波动的功能（不是消除）。

同样，再配合电容，就可构成滤波器（低通滤波、高通滤波、带通滤波等滤波器及各种陷波器），让指定范围的频率通过。

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2012-03-21 14:44:442楼
quote:以下是引用wq1124在2012-01-17 15:24:36的发言：
电抗器作为无功补偿手段，在电力系统中时不可缺少的，有不同的分类方法，按接法可分为并联电抗器和串联电抗器；按功能可分为限流电抗器和补偿电抗器；按用途可分为限流电抗器、滤波电抗器、平波电抗器、阻尼电抗器等。

变频器和调速器在使用过程中，经常会受到来自浪涌电流和浪涌电压的冲击，会严重损坏变频器和调速器的性能和使用寿命，所以要在其前面加装输入电抗器，用以抑制浪涌电压和浪涌电流，保护变频器和调速器，延长其使用寿命和防止谐波干扰，同时由于变频器和调速器是采用变频的方式调速的，所以在调速的时候经常会产生高次谐波和产生波形畸变，会影响设备正常使用，为此，须在输入端加装一个进线电抗器，可以改善变频器的功率因数及抑制谐波电流，滤除谐波电压和谐波电流，改善电网质量。

总之，输入电抗器既能阻止来自电网的干扰，又能减少整流单元产生的谐波电流对电网的污染
输出电抗器的作用：输出电抗器主要作用时补偿长线分布电容的影响，并能抑制输出谐波电流，提高输出高频阻抗，有效抑制dv/dt，降低高频漏电流，起到保护变频器，减小设备噪声的作用。

直流电抗器的作用：直流电抗器接在变频系统的直流整流环节与逆变环节之间，主要用途时将叠加在直流电流上的交流分量限定在某一规定值，保持整流电流连续，减小电流买充值，时逆变环节运行更稳定及改善变频器的功率因数。

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2012-03-21 14:44:513楼
quote:以下是引用kdrjl在2012-02-06 21:43:36的发言：
quote:以下是引用金蝉在2012-02-06 14:21:01的发言：
电抗器的阻抗与电流的频率成正比，电容器的阻抗与电流的频率成反比。

因此，在变频器输入侧加入电抗器，是为了消除电网电源带来的高次谐波干扰；而在输出侧加入电抗器，是为了补偿变频器通过传输导线输出的高次谐波损耗；由LC构成的滤波器，因为带宽较高，所以加在变频器输入侧或输出侧，是为了抑制变频器产生的高次谐波向周围电网和电子设备辐射；用户可以根据实际情况进行选配：
对于独立设备而言：如果电网质量较好，设备引线较短，设备周围无其他电子设备，可以不加电抗器和滤波器；
对于多种设备集中而言：为了使其他设备正常工作，应加输出滤波器；
对于同一电网上有其它大容量直流设备而言：应在输入侧加电抗器和滤波器；
对于变频器输出导线较长的设备（>50m）而言：应在输出侧加输出电抗器。

读后感：
非常高兴看到用交流阻抗的概念来解释动态元件电感和电容的工作原理。

简明且准确。

用基本原理来解释其电路中的作用。

好！
不过，对于独立设备且电网质量好，可不必加电抗器的说法，我认为就不准确了。

应该是对于有独立变压器的设备，且变压器的二次侧短路比大于设备容量的20倍（代替电抗器的作用），就可以不用再输入侧加电抗器了。

另外，电抗器抑制di/dt的作用是双向的。

我们在输入侧加入进线电抗器或变压器，目的不仅是为了削弱网侧对装置的谐波影响；同时也是为了防止设备侧的谐波对网侧的污染。

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2012-03-21 14:45:144楼
quote:以下是引用望京男儿在2012-02-06 21:52:46的发言：
1)关于电抗器抑制谐波。

首先，电抗器可以抑制本支路的电流谐波。

由于对于高次谐波，电抗器呈高阻抗，因此电抗器会使高次谐波电压在本支路所阐释的谐波电流变小。

其次，由于谐波电流变小，本支路的谐波对公共点上的谐波电压污染也就变小。

第三，也是有些争论的，也是由于输入电抗器的高频时的高阻
抗，在所在支路中，更大的分压了高次谐波电压，从而保护了该支路的其他设备能够较小的受到谐波电
压的影响。

当然，对于变频器而言，由于输入电抗器基本上是毫亨，甚至微亨，所以对一般的谐波，如5次，7次，所呈现的阻抗很小，因此不能很大的分担这些谐波
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2012-03-21 14:45:295楼
quote:以下是引用望京男儿在2012-02-06 21:58:55的发言：
quote:以下是引用kdrjl在2012-02-06 21:43:36的发言：
quote:以下是引用金蝉在2012-02-06 14:21:01的发言：
电抗器的阻抗与电流的频率成正比，电容器的阻抗与电流的频率成反比。

因此，在变频器输入侧加入电抗器，是为了消除电网电源带来的高次谐波干扰；而在输出侧加入电抗器，是为了补偿变频器通过传输导线输出的高次谐波损耗；由LC构成的滤波器，因为带宽较高，所以加在变频器输入侧或输出侧，是为了抑制变频器产生的高次谐波向周围电网和电子设备辐射；用户可以根据实际情况进行选配：
对于独立设备而言：如果电网质量较好，设备引线较短，设备周围无其他电子设备，可以不加电抗器和滤波器；
对于多种设备集中而言：为了使其他设备正常工作，应加输出滤波器；
对于同一电网上有其它大容量直流设备而言：应在输入侧加电抗器和滤波器；
对于变频器输出导线较长的设备（>50m）而言：应在输出侧加输出电抗器。

读后感：
非常高兴看到用交流阻抗的概念来解释动态元件电感和电容的工作原理。

简明且准确。

用基本原理来解释其电路中的作用。

好！
不过，对于独立设备且电网质量好，可不必加电抗器的说法，我认为就不准确了。

应该是对于有独立变压器的设备，且变压器的二次侧短路比大于设备容量的20倍（代替电抗器的作用），就可以不用再输入侧加电抗器了。

另外，电抗器抑制di/dt的作用是双向的。

我们在输入侧加入进线电抗器或变压器，目的不仅是为了削弱网侧对装置的谐波影响；同时也是为了防止设备侧的谐波对网侧的污染。

并不完全同意前辈的意见。

1）当二次侧短路容量与设备容量太大的时候，恰恰需要输入电抗器。

我考虑可能主要是为了增大短路阻抗，起保护作用，尤其是换向时候的短路。

2）对于电抗器起双向的作用。

我觉得从下面这个角度理解更科学一些，电抗器对电网中的高频电压呈现高阻抗，所以使得所在支路的谐波电流减小。

从而抑制了谐波电流对公共点的污染。

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2012-03-21 14:45:546楼
quote:以下是引用凌飞翼在2012-02-06 22:16:56的发言：
如果大家都能认识到“电抗器”的高次谐波阻挡作用，那么进线电抗器、出线滤波器就不仅仅是为了保护变频器和为了增加电机引线的长度那么狭隘了！
交流回路，特别是用方波堆砌成的交流变频回路，太值得好好研究了：
我们曾经用一台3kW容量的电抗器和一个靠近水泵的独立变频器箱，解决了流量、温度数据无规则跳动的问题。

那是一个及其典型的变频器污染供电回路的现象。

因此，我不赞同根据容量提出的小变频器就可以省略进出线电抗器的说法。

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2012-03-21 14:46:057楼
quote:以下是引用相信在2012-02-10 10:00:57的发言：
谈谈本人所学的和知道的关于变频器与电抗器
变频器输入侧功率因数偏低的原因，与工频电动机的运行功率因数低有着重要的区别。

由于电动机是感性负载，运行电流的相位滞后于电压，功率因数的高低取决于电流与电压之间的相位关系。

而变频器功率因数低是由其电路结构造成的。

变频器通常是“交一直一交”式结构，即三相交流电源经三相整流桥和滤波电容器变为直流，再经控制电路和逆变管转换为频率可调的交流电。

在整流过程中，只有当交流电源的瞬时值大于直流电压 UD 时，整流二极管才会导通，整流桥中才有充电电流，显然，充电电流总是出现在电源峰值附近的有限时间内，呈不连续的脉冲波形。

这种非正弦波具有很强的高次谐波成分。

高次谐波的瞬时功率一部分为“ + ”，另一部分为“一”，属于无功功率。

这种无功功率使得变频调速系统的功率因数较低，约为 0.7-0.75。

由于变频器输入侧功率因数较低的原因。

不是电流波形滞后于电压，而是高次谐波电流造成的，所以不能通过并联补偿电容器来提高功率因数.而应设法减小高次谐波电流，具体措施就是接入电抗器。

DL 是直流电抗器，接在整流桥与滤波电容器之间。

使用其中一种就有明显效果，两种共同使用可将功率因数提高到 0 . 9
5 以上。

直流电抗器除了提高功率因数外。

还能限制接通电源瞬间的充电涌流。

另外，不允许在变频器输出端，即与电动机的连接端并接电容器。

因为变频器输出的所谓正弦波，实际上是脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律分布的脉宽调制波，这个脉冲序列是变频器中逆变管不断交替导通形成的，如果在输出端接入电容器，则逆变管在交替导通过程中，不但要向电动机提供电流，还会增加电容器的充电电流和放电电流，会导致逆变管损坏。

电抗器对大部分变频器来说不是标准配置，是选配件。

应根据需要选用。

有时为了降低设备投资的成本而不接交流电抗器，容忍变频调速系统在低功率因数下运行。

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2012-03-21 14:46:298楼
quote:以下是引用一只小白在2012-02-11 15:48:26的发言：
一.输出电抗器的作用：输出电抗器主要作用是补偿长线分布电容的影响，并能抑制输出谐波电流，提高输出高频阻抗,有效抑制dv/dt.减低高频漏电流,起到保护变频器,减小设备噪声的作用。

电容器在补偿功率的时候，往往会受到谐波电压和谐波电流的冲击，造成电容器损坏和功率因数降低，为此，需要在补偿的时候进行谐波治理。

二.输入电抗器的作用；用来限制电网电压突变和操作过电压引起的电流冲击，平滑电源电压中包含的尖峰脉冲，或平滑桥式整流电路换相时产生的电压缺陷, 有效地保护变频器和改善功率因数，它既能阻止来自电网的干扰，又能减少整流单元产生的谐波电流对电网的污染。

三.直流电抗器的作用：直流电抗器接在变频系统的直流整流环节与逆变环节之间，主要用途是将叠加在直流电流上的交流分量限定在某一规定值,保持整流电流连续，减小电流脉冲值,使逆变环节运行更稳定及改善变频器的功率因数.
用户对变频器使用电抗器应如何选择？下面从额定交流电流的选择、电压降、电感量的选择、对应额定电流的电感量与电缆长度等方面进行分析。

1，额定交流电流的选择
额定交流电流是从发热方面设计电抗器的长期工作电流，同时应该考虑足够的高次谐波分量。

即输出电抗器实际流过的电流是变频器电机负载的输出电流。

2，电压降
电压降是指50HZ时，对应实际额定电流时电抗器线圈两端的实际电压降。

通常选择电压降在4V~8V左右。

3，电感量的选择
电抗器的额定电感量也是一个重要的参数！若电感量选择不合适，会直接影响额定电流下的电压降的变化，
从而引起故障。

而电感量的大小取决于电抗器铁芯的截面积和线圈的匝数与气隙的调整。

输出电抗器电感量的选择是根据在额定频率范围内的电缆长度来确定，然后再根据电动机的实际额定电流来选择相应电感量要求下的铁芯截面积和导线截面积，才能确定实际电压降。

4，对应额定电流的电感量与电缆长度：
电缆长度
额定输出电流电感量
300米
100A 46μH
200A 23μH
250A 16μH
300A 13μH
600米
100A 92μH
200A 46μH
250A 34μH
300A 27μH
理想的电抗器在额定交流电流及以下，电感量应保持不变，随着电流的增大，而电感量逐渐减小。

当额定电流大于2倍时，电感量减小到额定电感量的0.6倍。

当额定电流大于2.5倍时，电感量减小到额定电感量的0.5倍。

当额定电流大于4倍时，电感量减小到额定电感量的0.35倍
在高压补偿装置中一般都装设有串联电抗器，它的作用主要有两点：一是限制合闸涌流，使其不超过额定电流的20倍；二是抑制供电系统的高次谐波，用来保护电容器。

因此电抗器在补偿装置中的作用非常重要。

只有科学、合理的选用电抗器才能确保补偿装置的安全运行。

对于电抗器的选用主要有三方面的内容：电抗器的电抗率K值的选取和电抗器结构（空芯、铁芯）以及电抗器的安装位置（电源侧、中性点侧）。

一、电抗器的电抗率K值的确定：
1、如在系统中谐波含量很少而仅考虑限制合闸涌流时，则选 K=（0.5~1）%即可满足标准要求。

但这种电抗器对5次谐波电流放大严重，对3次谐波放大轻微。

2、如在系统中存在的谐波不可忽视时，应查明供电系统的背景谐波含量，然后再合理确定K值。

为了达到
抑制谐波的目的，电抗率的配置应使用电容器接入处综合谐波阻抗呈感性。

当系统中电网背景谐波为5次及以上时，这时应配置电抗率为（4.5~6）%。

电网的一般情况是：5次谐波最大，7次次之，3次较小。

因此在工程中，选用K=4.5%~6%的电抗器较多，国际上也通常采用。

配置6%的电抗器抑制5次谐波效果好，但有明显的放大3次谐波作用。

它的谐振点（204HZ）远离5次谐波的频率（250HZ），裕量较大。

配置4.5%的电抗器对3次谐波放大轻微，因此在抑制5次及以上谐波，同时又要兼顾减小对3次谐波的放大，在这种情况下是适宜的。

但它的谐振点（235HZ）与5次谐波的频率间距较小。

当系统中背景谐波为3次及以上时，应配置电抗率为12%的电抗器。

由于近年来不3次谐波源的电气设备不断增多，使系统中的3次谐波不断的增大，尤其是冶金行业这个现象不能忽视。

总之配置电抗器的原则是：一定要根据系统背景谐波含量来综合考虑而确定。

二、电抗器的结构选择：
电抗器的结构形式主要有空芯和铁芯两种结构。

铁芯结构的电抗器主要优点是：损耗小，电磁兼容性叫好，体积小。

缺点是：有噪音并在事故电流较大时铁芯饱和失去了限流能力。

当干式铁芯且采用氧树脂铸线圈的电抗器，其动、热稳定性均很好，适合装在柜中。

油浸式铁芯电抗器虽然体积大些，但噪音较小，散热较好，安装方便，适用于户外使用。

空芯电抗器的主要优点是：线性度好，具有很强的限制短路电流的能力而且噪音小。

缺点是：损耗大，体积大。

这种电抗器户内，户外都适合，但不适合装在柜中。

在户外安装容易解决防止电磁感应问题。

最好采用分相布置“品”字形或“一”字形。

这样相间拉开了距离，有利于防止相间短路和缩小事故范围。

所以这种布置方式为首选。

当场地受到限制不能分相布置时，可采用互相叠装式产品。

三相叠装式产品的B相线圈绕线制方向为反方向使支柱绝缘承受压力，因此在安装时一定按生产厂家的规定。

三、电抗器的安装位置：
串联电抗器无论装在电容器的电源侧或中性点侧，从限制合闸涌流和抑制谐波来说，作用都一样。

当把电抗器装在电源侧时，运行条件苛刻。

因它承受短路电流的冲击，电抗器对地电压也高（相对于中性点侧）。

因此对动、热稳定要求高。

根据这些要求，宜采用环氧玻璃纤维包封的空心电抗器比较适合，而铁芯电抗器有铁芯饱和之虑。

当把电抗器装在中性点侧时，对电抗器的要求相对低些，一般不受短路电流的冲击。

故动、热稳定没有特殊要求，而且电抗器承受的对地电压低，所以采用空芯，铁芯干式，铁芯油浸式均可以。

电抗器安装在中性点侧比安装在电源侧缺少了电抗器的抗短路电流冲击的能力。

四、半芯式电抗器
这种电抗器是将铁芯电抗器中的铁芯放在了空芯电抗器的空芯中。

它区别于传统的铁芯电抗器是：其铁芯并不包围整个线圈而形成回路。

从列表看象是空芯电抗器，但它的外形大大减小，是由于在线圈芯中放置了由高导磁材料做成的芯柱，使线圈中的磁导率大大增加，从而也比空芯电抗器的损耗小。

半芯式电抗器的性能和外形基本介于铁芯和空芯电抗器之间。

上面对电抗器选用的说明仅从技术方面来分析，但在实际中还是要考虑价格因素。

因此在选用电抗器时一定要综合比较技术、价格指标，才能达到最佳效果。

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2012-03-21 14:46:449楼
quote:以下是引用kdrjl在2012-02-11 20:16:30的发言：
这个题目，其实在前一段的奖品《电气传动技术工程手册》那本书里都讲了。

查一下就都有了。

而且包括计算和工程设计的注意事项，还有推荐方案等等。

想说一下输出电抗器的应用问题。

在10年前，刚接触西门子的交流变频器应用的时候，曾经有西门子的资深技术支持工程师告诉我，交流变频器组成的传动系统要注意的问题。

那就是，变频器的输出，是谐波组成的近似正弦波，不是非常规矩的那种正弦波。

因此有几个问题要注意：第一，电机电缆线，一定要使用耐压等级高的电缆线，比如，380V电网的，要使用1000V以上绝缘等级的；第二，电缆线不能太长，太长了，需要加输出电抗器，否则，对电机有直接的危害。

反之，线短就不要加输出电抗器，因为加了反而有害（哈哈）；第三，就是电机的轴电流，对于这个问题，要在电机上做工作，要定制变频专用电机，而且要向电机制造商说明电机要有防止轴电流的安全措施。

我记得大概就是这些了。

不过，10多年来，我是用的变频传动系统，没有电缆线超过30米远的，所以，输出电抗器没使用过。

到目前来讲，也没有发现电机因轴电流而造成损坏的问题。

也就是说，没有感觉“轴电流”的存在。

这是因为，我使用的电机基本都是变频专用电机（也许制造商考虑了防止轴电流产生的措施）。

当然我是用的电机都是中小功率的，最大没有超过550A的（380V等级的），也许是因为功率小，轴电流的危害就小？不过我看见过一个97年的原装西门子变频器传动系统，电缆线不算长，估计20来米，但设置了输出
电抗器。

也许，他的电机绝缘等级低？！不得而知。

反正我们现在用的系统，为了考虑成本，把1000V耐压等级的电缆，改成耐压750V的了。

也没发生问题。

输出没有电抗器。

总之，我认为输出电抗器的作用，主要就是保护电机的。

原因就是变频器输出的特殊性，他的波形就是带“毛刺”的，充满高次谐波分量的波形，有电抗器，就可以对负载起到一定的抑制作用。

从另一方面讲，电机也是很重要的一个因素，如果电机的耐压等级低，那就要用电抗器来保护它，如果电机的绝缘等级高，那就自身具备“免疫”，输出电抗器可以不用。

轴电流也是一样，如果电机有防止轴电流的措施，那谐波就通不过去（电磁绝缘或电机轴等电位良好）。

反之如果电机根本没有防范措施，轴电流危害就是必然的了。

因为电机线圈上的谐波是必然存在的（对于变频器输出而言）。

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2012-03-21 14:46:5010楼
quote:以下是引用kdrjl在2012-02-13 19:43:57的发言：
说说输入电抗器。

说他是保护装置的或净化电网的公用。

可以这么理解。

第一点，装置的进线，如果采用公共电网，也就是在这个电网下，并联了N个系统，为了保证装置整流侧换相缺口产生的谐波畸变限制在国标规定的限制以内，这个公共电网的容量一定要大于单台设备容量5-10倍；而且这些N个系统，要在输入侧加2-4%压降的电抗器
第二点，如果单台系统有自己独立的变压器，与公用电网隔离，那这个变压器的容量是系统容量的1.3-1.5倍，就可以不要进线电抗器了。

上述这些，都是书上说的。

我实际使用时，一般都不是独立变压器的那种隔离的，而是公共电网模式的。

所以，我每台都加输入电抗，而且每台设备容量都起码比公共电网的容量小5倍以上。

这个是保证的。

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