电抗器的作用.docx

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电抗器的作用

电抗器的作用：

变频调速用输入输出电抗器：

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，须在输入输出端加装一个电抗器，用于滤出谐波电压和谐波电流，改善电网质量，我厂生产的输入输出系列电抗器，采用优质矽钢片和优质铜线经先进的工艺精制而成。

　交流电抗器是在变频器的输入端与电源的隔离器件，也是变频器与电动机的隔离器件。

用在输入端的叫输入电抗器，用在输出端的叫输出电抗器。

它主要是隔离变频器的高次谐波，防止变频器对电源或其它设备的干扰，在大容量变频器和小容量变压器中使用最多。

对于变频器与电动机的距离超过30米的用户输出端应加交流输出电抗器。

对于电源要求高的场合也常使用。

一般情况下是不用的。

变频器应用中的抗干扰及其抑制

一、引言

变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信等技术于一体，以良好的调速和具有节能、可靠、高效的特性应用于工业控制的各个领域，如变频调速用在供水、空调设备、过程控制、电梯、机床等方面，保证了调节精度，减轻了劳动强度，提高了经济效益，但随之也带来了一些干扰问题。

现场的供电和用电设备会对变频器产生影响，变频器运行时产生的高次谐波也会干扰周围设备的运行。

变频器产生的干扰对电子、通信及无线电设备等较为敏感。

根据英国的ACE报告，各种对象对高次谐波的敏感程度如下：

电动机在10%～20%以下无影响；仪表电压畸变10%，电流畸变10%，误差在1%以下；电子开关超过10%会产生误动作；计算机超过5%会出错。

对计算机和自动控制装置等电子设备产生的干扰主要是感应干扰；对通信设备和无线电等产生的干扰为放射干扰。

如果变频器的干扰问题解决不好，不但系统无法可靠运行，还会影响其他电子、电气设备的正常工作。

因此，有必要对变频器应用系统中的干扰问题进行探讨，以促进其进一步推广应用。

本文主要讨论变频器的抗干扰及其设计。

二、谐波和电磁辐射对电网及其他系统的危害

1．谐波使电网中的电器元件产生附加的谐波损耗，降低了输变电及用电设备的效率。

2．谐波可以通过电网传导至其他的用电器，影响电器设备的正常运行。

如谐波会使变压器产生机械振动，使其局部过热，绝缘老化，寿命缩短，以至于损坏；还有传导来的谐波会干扰电器设备内部软件或硬件的正常运转。

3．谐波会引起电网中局部的串联或并联谐振，从而使谐波放大。

4．谐波或电磁辐射干扰会导致继电器保护设置的误动作，使电器仪表计量不准确，甚至无法正常工作。

5．电磁辐射干扰使经过变频器输出导线附近的控制信号和检测信号等弱电信号受干扰，严重时使系统无法得到正确的检测信号，或使控制系统紊乱。

一般来说，变频器对电网容量大的系统影响不十分明显，这也就是谐波不被大多数用户重视的原因。

但对电网容量小的系统，谐波产生的干扰就不能忽视。

三、变频调速系统的主要电磁干扰源及途径

（一）电磁干扰源

电磁干扰也称电磁骚扰（EMI），是以外部噪声和无用信号在接收中所造成的电磁干扰，通常通过电路传导和以场的形式传播。

变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波会对同一电网的其他电子、电气设备产生谐波干扰。

另外，变频器的逆变器大多采用PWM技术，当其工作于开关模式并作高速切换时，会产生大量耦合性噪声。

因此，变频器对系统内其他的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。

另一方面，电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源干扰变频器。

电网中存在大量谐波源（如各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备、非线性负载及照明设备等），这些负荷都使电网中的电压、电流产生波形畸变，从而对电网中其他设备产生干扰。

变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后，若不加处理，电网噪声会通过电网电源电路干扰变频器。

供电电源对变频器的干扰主要有过压、欠压、瞬时掉电，浪涌、跌落、尖峰电压脉冲，射频干扰。

其次，共模干扰通过变频器的控制信号线也会干扰变频器的正常工作。

（二）电磁干扰的途径

变频器能产生功率较大的谐波，对系统其他设备干扰性较强。

其干扰途径与一般电磁千扰途径是一致的，主要分空间辐射干扰（即电磁辐射干扰）、耦合干扰、电源干扰。

具体为电气设备、电子设备的高密度使用，使空间电磁波污染越来越严重。

这些干扰源产生的辐射波频率范围广且无规律。

空间辐射干扰以电磁感应的方式通过检测系统的壳体、导线等形成接收电路，造成对系统的干扰。

静电耦合干扰是指电路之间的寄生电容使系统内某一电路信号的变化影响其他电路，形成静电耦合干扰，只要电路中有尖峰信号和脉冲信号等频率高的信号存在，就有静电耦合干扰存在。

传导耦合干扰即系统的信号在传输过程中容易出现延时、变形并接收干扰信号，形成传导耦合干扰，对周围的电子、电气设备产生电磁辐射；对直接驱动的电动机产生电磁噪声，使得电动机铁耗和铜耗增加，并传导干扰到电源，通过配电网络传导给系统其他设备；变频器对相邻的其他线路产生感应耦合，感应出干扰电压或电流。

同样，系统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。

变频系统一般由工业用电网络供电。

工业系统中的某些大设备的起动、停机等，可能引起电源过压、欠压、浪涌、下陷及产生尖峰干扰。

这些电压噪声均会通过电源内阻耦合到变频系统的电路，给系统造成极大的危害。

三、减小变频器谐波对其他设备影响的方法

（一）增加交流/直流电抗器

安装电抗器实际是从外部增加变频器供电电源的内阻抗。

在变频器的交流侧或变频器的直流侧安装电抗器或同时安装，可抑制谐波电流。

采用交流/直流电抗器后（见图1），进线电流的THDV（电压畸变率）降低30%～50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。

（二）多相脉冲整流

在条件具备或者要求产生的谐波限制在比较小的情况下，可以采用多相整流的方法。

12相脉冲整流THDV为10%～15%；18相脉冲整流的THDV为3%～8%，满足EN61000-3-12和IEEE519-1992标准的要求。

缺点是需要专用变压器和整流器，不利于设备改造，价格较高。

（三）无源滤波器

采用无源滤波器后（见图2），满载时进线中的THDV可降至5%～10%，满足EN61000-3-12和IEEE519-1992的要求，技术成熟，价格适中。

适用于所有负载下的THDV＜30%的情况，缺点是轻载时功率因数会降低。

（四）输出电抗器

采用在变频器到电动机之间增加交流电抗器的方法（见图3）。

主要目的是减少变频器的输出在能量传输过程中对线路上产生的电磁辐射。

该电抗器必须安装在距离变频器最近的地方，尽量缩短与变频器的引线距离。

如果使用铠装电缆作为变频器与电动机的连线时，可不使用该方法，但要做到电缆的铠装在变频器和电动机端可靠接地，而且接地的恺装要原样不动接地，不能扭成绳或辫，不能用其他导线延长，变频器侧要接在变频器的地线端子上，再将变频器接地。

（五）增加变频器供电电源内阻抗

通常情况下，电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用。

这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。

当电源容量相对变频器容量越小，内阻抗值相对越大，谐波含量越小；电源容量相对变频器容量越大，则内阻抗值相对越小，谐波含量越大。

所以选择变频器供电电源变压器时，最好选择短路阻抗大的变压器。

（六）调节变频器的载波比

提高变频器载波比，可有效抑制低次谐波。

只要载波比足够大，较低次谐波就可以被有效地抑制。

特别是参考波幅值与载波幅值＜1时，13次以下的奇数谐波不再出现。

四、减少或削弱变频器谐波及电磁辐射对设备干扰的方法

（一）使用隔离变压器

主要是应对来自于电源的传导干扰（见图4）。

使用具有隔离层的隔离变压器，可以将绝大部分的传导干扰隔离在隔离变压器之前。

同时，还可以兼有电源电压变换的作用。

隔离变压器常用于控制系统中的仪表；PLC以及其他低压小功率用电设备的抗传导干扰。

（二）使用滤波模块或组件

目前，市场中有很多专用于抗传导干扰的滤波器模块或组件。

这些滤波器具有较强的抗干扰能力，同时还具有防止用电器本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能，对各类用电设备有很多好处。

常用双孔磁芯滤波器的结构如图5所示。

还有单孔磁芯的滤波器，其滤波能力较双孔的弱些，但成本较低。

（三）选用具有开关电源的仪表等低压设备

一般开关电源的抗电源传导干扰的能力都比较强，因为在开关电源的内部也都采用了与图5结构类似的滤波器。

因此，在选用控制系统的电源设备或者选用控制用电器时，应尽量采用具有开关电源类型的。

（四）作好信号线的抗干扰

信号线承担着检测信号和控制信号的传输任务，毋庸质疑。

信号传输的质量直接影响到整个控制系统的准确性、稳定性和可靠性，因此做好信号线的抗干扰是十分必要的。

对于信号线上的干扰主要是来自空间的电磁辐射，有常态干扰和共模干扰两种。

1．常态干扰的抑制。

常态干扰是指叠加在测量信号线上的干扰信号。

这种干扰大多是频率较高的交变信号，来源一般是耦合干扰。

抑制方法有：

（1）在输人回路接RC滤波器或双T滤波器；

（2）尽量采用双积分式A/D转换器。

这种积分器具有一定的消除高频干扰的作用；（3）将电压信号转换成电流信号再传输的方式，对于常态的干扰有非常强的抑制作用。

2．共模干扰的抑制。

共模干扰是指信号线上共有的干扰信号。

一般是由于被测信号的接地端与控制系统的接地端存在一定的电位差所造成的。

这种干扰在两条信号线上的周期、幅值基本相等，所以采用上面的方法无法消除或抑制。

对共模干扰的抑制方法如下：

（1）采用双差分输人的差动放大器。

这种放大器具有很高的共模抑制比。

（2）把输入线绞合，绞合的双绞线能降低共模干扰。

由于改变了导线电磁感应e的方向，从而使其感应互相抵消，如图6所示。

（3）采用光电隔离的方法，可以消除共模干扰。

（4）使用屏蔽线时，屏蔽层只一端接地。

因为若两端接地，由于接地电位差在屏蔽层内会流过电流而产生干扰，因此只要一端接地即可防止干扰。

无论是为了抑制常态干扰还是抑制共模干扰，都应做到：

（1）输入线路要尽量短；

（2）配线时避免和动力线接近，信号线与动力线分开配线，把信号线放在有屏蔽的金属管内，或者动力线和信号线分开距离在40cm以上；（3）为了避免信号失真，对于较长距离传输的信号要注意阻抗匹配。

（五）接地干扰

接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段。

良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵人，提高系统的抗干扰能力。

变频器的接地方式有多点接地、一点接地及经母线接地等几种形式，要根据具体情况采用，要注意不要因为接地不良而对，设备产生干扰。

图7为一般变频调速传动系统抗干扰所采取的措施。

在使用以单片机、PLC和计算机等为核心的控制系统中，编制软件时可适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增强系统自身的抗干扰能力。

五、结语

干扰的分布参数是很复杂的，因此在抗干扰时应采用适当的措施，既要考虑效果，又要考虑价格因素，还要视现场情况而定。

通过对变频器运行过程中存在的干扰问题的分析，提出了解决这些问题的实际方法。

随着新技术和新理论不断在变频器上的应用，变频器应用存在的这些问题有望通过变频器本身的功能和补偿解决。

随着工业现场和社会环境对变频器的要求不断提高，满足实际需要的真正“绿色”变频器不久也会面世。

现场总线定义：

是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。

主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。

主要用于：

制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中。

2003年4月，IEC61158Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准，规定10种类型的现场总线。

Type1TS61158现场总线

Type2ControlNet和Ethernet/IP现场总线

Type3Profibus现场总线

Type4P-NET现场总线

Type5FFHSE现场总线

Type6SwiftNet现场总线

Type7WorldFIP现场总线

Type8Interbus现场总线

Type9FFH1现场总线

Type10PROFInet现场总线

现场总线的技术特征

（1）全数字化通信

（2）开放型的互联网络

（3）互可操作性与互用性

（4）现场设备的智能化

（5）系统结构的高度分散性

（6）对现场环境的适应性

现场总线的特点

现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。

通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。

功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。

控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。

现场总线的优点

现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；

一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于节省安装费用；

节省维护开销；

提高了系统的可靠性；

为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。

现场总线技术的发展趋势

从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势：

一是寻求统一的现场总线国际标准

二是IndustrialEthernet走向工业控制网络

统一、开放的TCP/IPEthernet是20多年来发展最成功的网络技术，过去一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。

事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA技术（EthernetforProcessAutomation）也取得了很大的进展。

随着FFHSE的成功开发以及PROFInet的推广应用，可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。

工业以太网的发展

国际上形成的工业以太网技术的四大阵营：

主要用于离散制造控制系统的是：

Modbus-IDA工业以太网

Ethernet/IP工业以太网

PROFInet工业以太网

主要用于过程控制系统的是：

FoundationFieldbusHSE工业以太网

随着科学技术的快速发展，过程控制领域在过去的两个世纪里发生了巨大的变革。

150多年前出现的基于5－13psi的气动信号标准（PCS，PneumaticControlSystem气动控制系统），标志着控制理论初步形成，但此时尚未有控制室的概念；20世纪50年代，随着基于0－10mA或4－20mA的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用，标志了电气自动控制时代的到来，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础，设立控制室、控制功能分离的模式也一直沿用至今；20世纪70年代，随着数字计算机的介入，产生了“集中控制”的中央控制计算机系统，而信号传输系统大部分是依然沿用4－20mA的模拟信号，不久人们也发现了伴随着“集中控制”，该系统存在着易失控、可靠性低的缺点，并很快将其发展为分布式控制系统（DCS，DistributedControlSystem分布式控制系统）；微处理器的普遍应用和计算机可靠性的提高，使分布式控制系统得到了广泛的应用，由多台计算机和一些智能仪表以及智能部件实现的分布式控制是其最主要的特征，而数字传输信号也在逐步取代模拟传输信号。

随着微处理器的快速发展和广泛的应用，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，产生了以微处理器为核心，使用集成电路代替常规电子线路，实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。

设备之间彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更高的要求。

由此，导致了现场总线的产生。

现场总线的实质和优点

1984年，现场总线的概念得到正式提出。

IEC（InternationalElectrotechnicalCommission,国际电工委员会）对现场总线（Fieldbus）的定义为：

现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。

不同的机构和不同的人可能对现场总线有着不同的定义，不过通常情况下，大家公认现场总线的本质体现在以下六个方面：

现场通信网络

用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。

现场设备互联

依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现场仪表相互关联。

互操作性

用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制回路，从而可以自由地集成FCS。

分散功能块

FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站,把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表,从而构成虚拟控制站，彻底地实现了分散控制。

通信线供电

通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量,这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表,与其配套的还有安全栅。

开放式互联网络

现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。

从以上内容我们可以看到，现场总线体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点，而这些正是DCS系统的缺点。

DCS通常是一对一单独传送信号，其所采用的模拟信号精度低，易受干扰，位于操作室的操作员对模拟仪表往往难以调整参数和预测故障，处于“失控”状态，很多的仪表厂商自定标准，互换性差，仪表的功能也较单一，难以满足现代的要求，而且几乎所有的控制功能都位于控制站中。

FCS则采取一对多双向传输信号，采用的数字信号精度高、可靠性强，设备也始终处于操作员的远程监控和可控状态，用户可以自由按需选择不同品牌种类的设备互联，智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能，而且控制功能分散到各个智能仪表中去。

由此我们可以看到FCS相对于DCS的巨大进步。

也正是由于FCS的以上特点使得其在设计、安装、投运到正常生产都具有很大的优越性：

首先由于分散在前端的智能设备能执行较为复杂的任务，不再需要单独的控制器、计算单元等，节省了硬件投资和使用面积；FCS的接线较为简单，而且一条传输线可以挂接多了设备，大大节约了安装费用；由于现场控制设备往往具有自诊断功能，并能将故障信息发送至控制室，减轻了维护工作；同时，由于用户拥有高度的系统集成自主权，可以通过比较灵活选择合适的厂家产品；整体系统的可靠性和准确性也大为提高。

这一切都帮助用户实现了减低安装、使用、维护的成本，最终达到增加利润的目的。

现场总线的现状

由于各个国家各个公司的利益之争，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未完成。

很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。

目前现场总线市场有着以下的特点：

多种现场总线并存

目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的FIP，英国的ERA，德国西门子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：

FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等等。

这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有８０％左右的市场。

各种总线都有其应用的领域

每种总线大都有其应用的领域，比如FF、PROFIBUS-PA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域；LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet适用于楼宇、交通运输、农业等领域；DeviceNet、PROFIBUS-DP适用于加工制造业，而这些划分也不是绝对的，每种现场总线都力图将其应用领域扩大，彼此渗透。

每种现场总线都有其国际组织和支持背景

大多数的现场总线都有一个或几个大型跨国公司为背景并成立相应的国际组织，力图扩大自己的影响、得到更多的市场份额。

比如PROFIBUS以Siemens公司为主要支持，并成立了PROFIBUS国际用户组织WorldFIP以Alstom公司为主要后台，成立了WorldFIP国际用户组织。

多种总线成为国家和地区标准

为了加强自己的竞争能力，很多总线都争取成为国家或者地区的标准，比如PROFIBUS已成为德国标准，WorldFIP已成为法国标准等。

设备制造商参与多个总线组织

为了扩大自己产品的使用范围，很多设备制造商往往参与不止一个甚至多个总线组织。

各个总线彼此协调共存

由于竞争激烈，而且还没有哪一种或几种总线能一统市场，很多重要企业都力图开发接口技术，使自己的总线能和其他总线相连，在国际标准中也出现了协调共存的局面。

工业自动化技术应用于各行各业，要求也千变万化，使用一种现场总线技术也很难满足所有行业的技术要求；现场总线不同于计算机网络，人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实世界。

技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约；技术标准不仅是一个技术规范，也是一个商业利益的妥协产物。

而现场总线的关键技术之一是彼此的互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。

主流现场总线简介

下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。

1基金会现场总线（FoundationFieldbus简称FF）

这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。

该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。

基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。

FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。

后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。

FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。

CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域网）

最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。

CAN协议分为二层：

物理层和数据链路层。

CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。

CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M/1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。

目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。

Lonworks

它由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。

它采用ISO/OSI模型的全部７层通讯协议