Danfoss VLT Application guide [zh]

工程设计指南

暖通制冷

应用

电气变频器的设备维护设计和项目工程设计

4 步

完成安全安装。 Danfoss 利用我们日积月累的丰富经验辅助您进行规划。

www.danfoss.com/drives

本指南封底可取下的设计检查清单引导您只需

四步便可获得最优设计效果。

设计辅助工具 ...............................................................................................................................................................6

第 1 部分：基础知识 ...................................................................................................................................................8

降低成本并提高便利性 ...........................................................................................................................................8

速度控制节约能耗 ...................................................................................................................................................9

提高成本效益............................................................................................................................................................10

在实践中实现潜在节约 ...........................................................................................................................................11

第 2 部分：四步实现优化系统 ..................................................................................................................................12

步骤 1：交流电源系统的实际问题 ......................................................................................................................12

识别实际电源配置

电磁兼容性 (EMC) 的实际问题 ..............................................................................................................................13

电磁效应双向作用操作员职责两种可能的降低方式

区分传导干扰和辐射干扰电路之间的耦合机制电导耦合电容耦合辐射耦合

主电源质量的实际问题 ...........................................................................................................................................15

低频率主电源干扰

危险的供电网络通过法律规定保障的质量主电源干扰是如何产生的

低频率主电源干扰的实际问题 .............................................................................................................................16

主电源干扰的影响欠压警告更大损耗是否存在抗干扰的变频器？

分析主电源干扰

降低主电源干扰的实践问题 ..................................................................................................................................17

降低主电源干扰的选项进线电抗器或直流回路电抗器带有每周期为 12、18 或 24 个脉冲的整流器无源滤波器无源滤波器的优点无源滤波器的缺点

有源滤波器有源滤波器的优点有源滤波器的缺点

满载电流和失真频谱

Slim 直流回路 ......................................................................................................................................................................

有源前端

AFE 的优点 AFE 的缺点

高频率干扰 (RFI) 的实际问题 .................................................................................................................................21

射频干扰定义极限的标准和指令

第 1 和第 2 种环境的实际问题 ..............................................................................................................................22

工作场所是决定性因素环境 1（B 类）：居住环境环境 2（A 类）：工业环境特定环境无折中方案

主电源保护措施的实际问题 ..................................................................................................................................23

功率因数修正主电源瞬态

运行变压器或备用发电机的实际问题 .................................................................................................................24

最大限度提高变压器利用率

变压器负载功率品质

运行备用发电机

.............................................................................................................................................

..............................................................................................................................................

......................................................................................................................

步骤 2：周围环境条件的实际问题 ..............................................................................................................................25

正确的安装位置

机柜安装与墙面安装

机箱等级的实际问题 ....................................................................................................................................................... 26

IP 等级标准符合 IEC 60529 NEMA 机箱类型符合 NEMA 250-2003

冷却设计的实际问题 ...................................................................................................................................................... 27

符合环境温度规定冷却相对湿度

特殊要求的实际问题 ....................................................................................................................................................... 28

腐蚀性环境或气体

粉尘暴露 ... ............................................................................................................................................................ 29

降低冷却冷却风扇过滤垫

潜在爆炸性环境的实际问题 .......................................................................................................................................... 30

潜在爆炸性环境

步骤 3：电机和接线的实际问题 ................................................................................................................................... 31

电机的最低能效等级

必须满足的最低能效 IE 和 E 类别：详述重要差异受影响的三相电机

IE 类电机的实际问题......................................................................................................................... .................................................. 32

MEPS 实施计划符合 EN 50347 安装尺寸规范成本效益

EC 和 PM 电机的实际问题 ....................................................................................................................................... ...................... 33

什么是 EC 电机？ EC 电机效率 PM 电机 – EC 电机的替代方案？

Danfoss EC+ 概念 ........

最佳电机效率可实现最高系统效率吗？

控制变频器运行的电机适用性的实际问题 ................................................................................................................. 35

选择标准绝缘应力轴承应力热应力

输出滤波器的实践问题 ..................................................................................................................................................36

正弦波和 dU/dt 滤波器

正弦波滤波器的功能和用途

何时使用正弦波滤波器？改造

电机电缆的实际问题 ....................................................................................................................................................... 37

额定电压电缆尺寸选择电机电缆长度节能带适当屏蔽功能的电缆

接地的实践问题 ...............................................................................................................................................................38

接地的重要性

导电材料星形配置的接地系统接触点导体表面积

..................................................................................................................................................... ............. 34

屏蔽的实践问题 ...............................................................................................................................................................39

屏蔽的重要性

屏蔽电缆和接线屏蔽连接屏蔽间隙

接地 ..................................................................................................................................................................................................

电机电源电缆信号电缆屏蔽类型

步骤 4：变频器选择的实践问题 ................................................................................................................................... 41

基本设计恒定转矩或可变转矩

HVAC/R 应用负载曲线的实际问题 ..............................................................................................................................42

特性曲线和应用

多电机运行的实践问题（特殊情况） ......................................................................................................................... 43

设计电缆布线

EMC 措施的实践问题 ......................................................................................................................................................44

将理论应用到实践中射频干扰

实践建议 RFI 过滤器的两种安装方法

主电源干扰 .......................................................................................................................................................................................... 45

直流回路可影响主电源干扰降低措施主电源电抗器

每周期为 12、18 或 24 个脉冲的整流器 ............................................................................................................................

无源滤波器有源滤波器、有源前端和低谐波设备

漏电断路器的实践问题 ...................................................................................................................................................47

AC/DC 漏电保护设备

漏电电流水平

接地和电机保护的实践问题 .......................................................................................................................................... 48

接地措施实践电机保护和电机 PTC 热敏电阻

操作员控制和数据显示屏的实践问题 ......................................................................................................................... 49

简单操作概念

本地控制操作 ...............................................................................................................................................................................

清晰显示屏统一概念集成到柜门中

利用 PC 进行控制和参数配置的实践问题...................................................................................................................51

扩展选件

数据交换的实践问题 ....................................................................................................................................................... 52

总线系统改善报警管理改善设备管理降低安装成本简化调试

其他选择因素的实践问题 ..............................................................................................................................................53

过程控制器维护存放

VLT® HVAC Drive ..................................................................................................................................................................54

与变频器相关的指令 ..........................................................................................................................................................55

索引.. ...................................................................................................................................................................................... 56

缩略语 .................................................................................................................................................................................... 59

注释.. ...................................................................................................................................................................................... 60

设计检查清单 ....................................................................................................................................................................... 62

用于高级详尽设计的设计辅助工具 HVAC/R 应用的工程设计指南

Danfoss 暖通和制冷应用工程设计指南旨在供经常使用 HVAC/R 技术的工程公司、公共机构、协会、设备工程师和电气工程师使用。它可作为负责利用变频器设计变速系统项目的设备维护设计人员（ICA 和电气）和项目工程师全面的辅助工具。

为此，我们的专家协同工业设备维护设计人员一起编撰了本设计手册的内容，以解决重要问题，并让所有者 / 开发者和/或承包管理机构从中获得最大受益。每个章节的内容都非常简练。各章节不是为了详细阐释技术问

题，而是为了说明工程设计过程中的相关问题和特定要求。因此，HVAC/R 应用工程设计指南可辅助设计变频器的和评估不同制造商生产的变频器产品。

设计变速变频器项目时，经常出现与变频器实际工作无直接关系的问题。相反，这些问题与将这些设备集成到变频器系统和整个工厂中相关。因此，不仅要考虑变频器，还必须考虑整个变频器系统。这个系统包括电机、变频器、接线和环境状况的一般条件，还包括交流主电源和环境条件。

变速驱动系统的设计和布局是决定性因素。设备维护设计人员或项目工程师在此阶段作出的决策会对变频器系统的质量、运行和维护成本以及可靠和无故障运行产生重大影响。事先进行缜密的项目设计可避免变频器系统在后续运行中出现意外的负面问题。

本工程设计指南和随附的设计检查清单是实现最佳可靠性能设计的理想工具，能够提高整体系统的运行可靠性。

涉及变频器工程设计的任何人员都应慎重考虑这些设备的通用技术条件。

HVAC/R 应用工程设计指南分为两部

分。第一部分提供了使用变频器的一般背景信息。本部分涵盖能源效率、降低使用寿命周期成本和延长使用寿命的主题。

第二部分通过四个关键步骤指导您完成系统设计和项目设计，并提供改善现有系统速度控制性能的技巧。此部分说明了要实现系统可靠运行，必须注意的因素 – 主电源的选择和规格、周围环境条件、电机及其接线和变频器的选择和规格 – 并提供了应对这些方面所需要的全部信息。

本手册的背面还有检查清单，可用来标记单个步骤。如果考虑了所有这些因素，您将收获始终能可靠运行的最佳系统设计。

第 1 部分：基础知识降低成本并提高便利性

与机械速度控制系统相比，电子速度控制系统能节约大量能耗，并显著降低磨损。这两个因素均会显著降低运行成本。变频器系统（或必须）在部分负载情况下运行的频率越高，节约能耗和维护成本的可能性越大。由于节能潜力较大，几个月内便可收回电子速度控制系统的附加成本。此外，现代化系统能够大大改善系统工艺和整体系统可用性的许多方面。

节能潜力大

利用电子速度控制系统，能根据实际需求设置流量、压力或压差。在实际应用中，系统主要是在部分负载情况下运行，而不是满载运行。如果风扇、泵或压缩机具有可变转矩特性，则节能程度取决于部分负载运行和满载运行的差异。差异越大，投资回报时间越短。通常时间为 12 个月左右。

启动电流限制

启动直接连接至交流电网的设备时，会生成高达六至八倍额定电流的峰值电流。变频器可将启动电流限制为电机额定电流。如此，变频器能够消除启动电流峰值，防止因供电网络瞬时重载导致电压骤降。正如电力供应商看到的，消除这些电流峰值可降低泵系统连接的负载，进而降低供电成本，无需补充性 Emax 控制器。

降低系统磨损

变频器能够缓和顺畅地启动和停止电机。与直接由交流电源操作的电机不同，变频器驱动的电机不会产生转矩或负载冲击。这能够降低整个变频器系统（电机、变速箱、离合器、泵/风扇/压缩机）和管道系统的压力，包括密封系统。如此，速度控制能够显著降低系统磨损，延长系统使用寿命。同时还会因运行周期延长和材料磨损降低而降低维护和维修成本。

最佳工作点调整

HVAC/R 系统的效率取决于最佳工作点。工作点取决于系统利用率。系统运行时越接近最佳工作点，系统运行效率越高。由于变频器能够连续变化速度，因此变频器能够以准确的最佳工作点驱动系统。

扩展控制范围

变频器允许电机在“超同步”范围内运行（输出频率大于 50 Hz）。这能够短时间内提高输出功率。超同步运行的程度取决于变频器的最大输出电流和过载容量。在实际应用中，泵、压缩机和风扇通常在 55-87 Hz 的频率范围内运行。必须始终咨询电机制造商，了解电机超同步运行的适用性。

减少噪声生成

部分负载下运行的系统非常安静。变速运行能够显著降低产生的噪声。

延长使用寿命

降低部分负载下运行的变频器系统的磨损，进而延长使用寿命。压力的降低和优化也会对管路产生积极影响。

改造

通常只需稍费工夫便可改造现有驱动器系统中的变频器。

基础知识

速度控制节约能耗

100

Q, p, P [%]

10060 8040200

速度 n [%]

流体设备的比例法则。由于物理关系，吞吐量 Q、压力 p 和功率 P 直接取决于带有流体设备的设备速度。

使用变频器时，节能潜力取决于变频器驱动的负载类型和泵、压缩机、风扇或电机的效率优化情况以及系统在部分负载下运行的时间。许多系统是按照出现较少的，用于峰值负载的情况设计的，因此其通常在部分负载下运行。

离心泵和风扇具有最大的节能潜力。其属于具有变转矩曲线的流体设备类别，受限于以下比例规则。

流量增加与速度增加 (rpm) 成线性关系，同时压力按二次方增长，功率消耗按三次方增长。素是 rpm 和功率能耗之间的三次方关系。

节能的决定性因

例如，泵以二分之一的额定速度运行时，仅需八分之一的额定速度运行时的功率便可以。即使略微降低速度也可显著降低能耗。例如，速度降低 20%，便可节能 50%。使用变频器的最大优点是速度控制不会浪费能耗（例如，不同于利用节流阀或阻尼器进行的调节），但却能实现电机功率调节，准确满足实际需求。

可通过变频器操作优化风扇、泵或电机效率，进一步节约能耗。电压控制特性（V/f 曲线）能为处于不同频率（以及电机速度）的电机提供适当电压。如此，控制器能够避免因多余无功电流造成的电机损失。

注：Danfoss VLT® HVAC Drive 变频器可进一步优化能源需求。自动能量优化 (AEO) 功能可以不断调节当前电机电压，因此电机能够以最大效率运行。如此，VLT® HVAC Drive 能够始终调节电压适应其测量的实际负载情况。达到的额外节能量可增加 3 至 5%。

要计算使用变频器时的预期节能量，可使用诸如 Danfoss VLT® Energy Box 软件等工具。

提高成本效益

84%

70%

80%

84%

80%

压力 [bar]

效率范围

泵曲线

阀门控制

给定值

系统曲线

速度控制

流量 [Q]

生命周期成本 (LCC) 分析

几年前，设备工程师和操作员在选择泵系统时，仅考虑采购和安装成本。如今，全面分析所有成本已日渐普遍。名为“生命周期成本”(LCC) 的此类分析涵盖了泵系统使用寿命过程中出现的所有成本。

= 初始成本（采购成本）

Cin = 安装和调试成本

LCC = Cic + Cin + Ce + Co + Cm + Cs + Cenv + Cd

生命周期成本分析不仅包括采购和安装成本，还包括能耗成本、运行成本、维护成本、停机成本、环境和处置成本。两个因素 – 能耗成本和维护成本 – 对生命周期成本起着决定性作用。操作员寻找创新性控制的泵驱动设备，以降低这些成本。

降低 LCC 的示例： VLT® HVAC Drive 具有平方根函数，可将压差读数转换为体积流量信号。如此用户可减少安装成本昂贵的传感器，降低采购成本

(Cic)。

Ce = 能耗成本 Cs = 停机和损失生产成本

Co = 运行成本 C

= 环境成本

env

Cm = 维护成本 Cd = 停用和处置成本

降低能耗成本

在生命周期成本公式中，其中最大的一个成本因素就是能耗成本。在

常由节流阀调节体积流量。利用此种调节方式，泵总是满负荷运行，因此会消耗不必要的能量。

风扇、泵系统或压缩机每年的运行时间超过 2000 小时时，尤为如此。

这就好比开车时，加足了马力，同

时又用刹车来调节速度。大多数现有应用都有巨大的节能潜力。这是因为大多数系统的规格都

现代化的智能变频器能以理想方式

降低能耗和维护成本。偏大，以防止出现最糟的情况。通

生命周期成本计算

功率

80%

70%

60%

50%

60%

效率范围

a) 阀门控制：η 降低 b) 实际速度控制：η 曲线与系统曲线不符 c) 最佳速度控制：η 曲线几乎匹配系统曲线

70%

80%

84%

速度 [n]

除泵和系统特性曲线外，此图还显示了一些效率水平。阀门控制和速度控制均会导致工作点移出最佳效率范围。

基础知识

在实践中实现潜在节约

本设计注意事项的第一部分重点说明了 HVAC 技术的基础原理和节省潜力。

此外，还阐释了生命周期成本、降低能耗、能耗成本以及维修和维护成本。现在的任务是实施缜密、智能的设计，实现这些潜在优势。

为实现这一目的，本手册的第二部分将指导您通过四步完成设计过程。

以下部分：

– 主电源系统 – 周围环境条件 – 电机和电缆 – 变频器为您提供了选择组件和规

格所需的所有特性和数据信息，以确保系统可靠运行。

为方便了解详细信息，除本手册的基本信息外，我们还提供了其他参考文档。

本手册末尾随附的检查清单（可折叠

或撕下）可作为便捷辅助工具，用于标

记单个步骤。检查清单可让您快速简

便地大致了解所有相关设计因素。

通过考虑所有这些因素，您就可顺理

成章地设计出可靠节能的系统。

第 2 部分：四步实现优化系统

L1 L2 L3 PEN

TN-C 系统在整个系统中中性线和保护接地导体都接到一公用导体上

L1 L2 L3 N PE

L1 L2 L3 N

L1 L2 L3 PEN

TN-S 系统单独的中性线 (N) 和保护接地 (PE) 导体

IT 系统绝缘系统，中性线导体不接地或

通过阻抗接地

TN-C 系统在整个系统中中性线和保护接地导体都接到一公用导体上

L1 L2 L3 PEN

TN-C 系统在整个系统中中性线和保护接地导体都接到一公用导体上

步骤 1：交流电源系统

识别实际电源配置

为电气设备供电的交流主电源类型各异。交流电压均会不同程度地影响系统 EMC 特性。五线 TN-S 系统最适用于此方面，而 IT 系统是最后的选择。

TN 主电源系统

此种电源配电系统有两种型号： TN-S 和 TN-C。

TN-S

这是一种带有独立中性线 (N) 和保护性接地 (PE) 导体的 5 线系统。因此，它能提供最佳的 EMC 属性，还可避免传输干扰。

TN-C

这是一种在整个系统中带有公用中性线和保护性接地导体的 4 线系统。由于结合了中性线和保护线接地导体，因此 TN-C 系统的 EMC 特性较差。

TT 主电源系统

这是一种带有接地中性线导体的四线系统，可单独接地变频器装置。如果适当接地，该系统具有良好的 EMC 特性。

IT 主电源系统

这是一种中性线通过阻抗接地或不接

地的绝缘 4 线系统。

注意：在 IT 主电源系统中使用变频

器（滤波器等）时，必须禁用变频

器的所有 EMC 特性。

TN-S 系统单独的中性线 (N) 和保护接地 (PE) 导体

L1 L2 L3 N

主电源系统形式符合 EN 50310 / HD 384.3

TT 系统接地中性线导体和单独的变频器接地

L1 L2 L3 N

TN-C 系统在整个系统中中性线和保护接地导体都接到一公用导体上

L1 L2 L3 PEN

IT 系统绝缘系统，中性线导体不接地或通过阻抗接地

L1 L2 L3 N

步骤 1

电磁兼容性 (EMC)

每种电气设备都会生产电磁场，不同程度地影响其所处的直接环境。

影响程度和后果取决于设备的功率和设计。在电机和电气系统中，电气或电子组件之间的交互作用可能会破坏或妨碍无故障可靠运行。因此，操作员、设计人员和设备工程师必须了解这些交互作用的机制原理。只有如此，才能在设计阶段采取适当、经济高效的应对措施。

这是因为适当措施的成本会随设计过程的每个阶段而增加。

电磁效应双向作用

系统组件会相互影响：每个设备都会产生干扰并受到干扰的影响。除设备产生干扰的类型和程度外，还具有抗周围设备干扰的特点。

操作员职责

先前，电气设备或组件制造商必须采用应对措施，以满足法定标准。随着变速驱动系统的 EN 61800-3 标准出台，这成为了系统最终用户或操作员的职责。如今，制造商只需提供满足标准的运行解决方案。由操作员负责消除可能出现的干扰（换句话说，使用这些解决方案）以及承担产生的费用。

两种可能的降低方式

用户和设备工程师有两种选择来确

保电磁兼容性。其中一个选择是通

过最大限度降低或消除产生的干

扰，从根本上解决干扰问题。另一

个选择是通过妨碍和持续降低接收

的干扰来提高受干扰影响设备或系

统的抗干扰性。

消除无线电干扰

放射性抗干扰

谐波失真防止接触

磁场电腐蚀

防雷击生物效应

EMC

电晕静电

微波 NEMP

TEMPEST

电磁兼容性 (EMC) 涉及多种因素。变频器设计中最重要的因素是主电源干扰、RFI 抑制和抗干扰性。

电磁兼容性 (EMC)

10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz 30 MHz 100 MHz 300 MHz 1GHz

区分传导干扰和辐射干扰

同时存在几个系统时，总是存在相互干扰。专家可区分干扰源和受干扰设备，通常在实践中表示产生干扰的设备和受干扰的设备。所有类型的电磁量都可能产生干扰。例如，干扰的形式可能为主电源谐波、静电放电、电压快速波动、高频干扰或干扰场。在实践中，主电源谐波通常被称为主电源干扰、和谐泛音或简单谐波。

电路之间的耦合机制

现在，您可能想了解干扰是如何传播的。通常通过导体、电场或电磁波以电磁辐射的方式来传播。从专业技术方面来说，这些被称为电导、电容和/或电感耦合和辐射耦合，表示不同电路之间的相互作用，电磁能从一个电路传输到另一个电路。

电导耦合

当用相同导体相互连接两个或多个电路时，就会出现电导耦合。例如等电势电缆

电容耦合

两个电路之间存在电压差时会产生电容耦合。感应耦合发生两载流导体之间

辐射耦合

受干扰设备位于干扰源产生的电磁场的远场区域时就会产生辐射耦合。为方便电磁分析，该标准指定 30 MHz 为电导耦合和辐射耦合的分界线。

干扰传播途径

电缆传导的干扰

（主电源电缆，控制电缆）

可在所有频率范围内产生电磁干扰，但传播路径和形式不同。

该分界线对应 10 米的波长。低于该

频率，电磁干扰主要通过导体传播

或电场或磁场耦合。超过 30 MHz，

线缆和电缆可作为天线发射电磁波。

干扰源

开关电路部件电源转换器变频器点火系统无线电话手机计算机开关模式电源

干扰耦合

例如：电导、电容、电感或电磁

辐射干扰（空气传播）

受干扰设备

例如：控制系统电源转换器变频器一般无线电接收系统手机数据/电话传输线

电磁干扰耦合途径概览和典型示例

变频器和 EMC

低频效应（电导）高频效应（辐射）

主电源干扰/谐波射频干扰（发射电磁场）

步骤 1

主电源质量

低频率主电源干扰

危险的供电网络

电力公司向居民、企业和行业输送的主电源电压应是具有恒定幅值和频率的均衡正弦电压。公共电网不可能存在这种理想状况。造成此情况的部分原因是吸收主电源非正弦电流或具有非线性特定的负载，例如 PC、电视机、开关电压、节能灯以及变频器。因为欧洲能源网络，未来主电源质量还会受到更大的影响，提高电网利用率，降低投资。因此偏离理想正弦波形是无法避免的，但能保持在一定范围内。

设备维护设计人员和操作员有责任将主电源干扰维持在最低水平。但极限是多少，由谁确定极限范围呢？

主电源干扰是如何产生的

专家将连接的负载的脉冲输入电流所引发的主电源正弦波失真称为“主电源干扰”或“谐波”。专家也将根据傅里叶分析得到的结果称为主电源谐波量，傅里叶分析可处理高达 2.5 kHz 的频率，其对应主电源频率的第 50 个谐波。

通过法律规定保障的质量

标准、指令和法规有助于商讨清洁、优质的主电源。在欧洲大部分地区，客观评价主电源质量的依据是设备电磁兼容性法令。欧洲标准 EN 61000- 2-2、EN 61000-2-4 和 EN 50160 确定了公共和工业供电网络必须满足的主电源电压极限。

EN 61000-3-2 和 61000-3-12 标准是管理连接设备产生的主电源干扰的法规。设备操作员在执行所有分析时，必须考虑 EN 50178 标准和电力公司的连接情况。基本假定是符合这些条件限制，确保连接至配电系统的所有设备和系统都满足其预期目的，且不会产生问题。

变频器的输入整流器可在主电源上生成典型的正弦谐波干扰。当变频器连接至 50Hz 的主电源时，三次谐波 (150 Hz)、五次谐波 (250 Hz) 或七次谐波 (350 Hz) 造成的影响最大。这是影响最大的区域。整体谐波量也被称为总体谐波失真 (THD)。

测量值显示由于非线性负载的干扰，主电源电压波形出现明显失真。

如今，主电源电网中很少具有理想的正弦主电源电压。

低频率主电源干扰

分析主电源干扰

为避免对主电源质量造成较大影响，生成谐波的系统或设备可采用多种降低、避免和补偿方式。可在设计阶段尽早使用主电源分析程序，例如 VLT®

MCT 31 Harmonic Calculation

软件。如此，操作员可提前考虑和测试具体应对措施，确保后续系统的可用性。

注：Danfoss 拥有精湛的 EMC 专业技术和在该领域多年的经验。我们通过培训课程、专题研讨会和研习会方式来向客户传授这些经验，在每天实践中提供带有详细评估或主电源计算的 EMC 分析。

VLT® MCT 31 可估算您应用的谐波量和电压失真度，并确定是否需要谐波滤波器。此外，该软件可计算添加的抑制设备的效果，并确定您的系统是否符合各种标准。

注意：谐波量过大会增加功率因素修正设备的负载，甚至导致其损坏。因此，变频器必须装配电抗器。

主电源干扰的影响

谐波和电压波动为两种形式的低频率主电源干扰。连接负载时，其在主电源系统的任何其他点的形式与其在原点的形式不同。

因此，评估主电源干扰时，必须综合考虑主电源供电、主电源结构和负载。下文将描述谐波水平增加的影响。

欠压警告

– 由正弦主电源电压失真导致的电压

测量有误。

– 降低主电源容量

更大损耗

– 谐波可承载有功功率、视在功率和

无功功率

。

– 例如共振导致的额外加热效应可缩

减设备和组件的使用寿命。

– 电气或电子负载故障或损坏（例如

其他设备发出的嗡嗡声）。最严重的情况下，甚至会出现破损。

– 仅因为实际 RMS 仪器和测量系统

考虑了谐波量，因此导致测量值不准确。

是否存在抗干扰的变频器呢？

每个变频器都会产生主电源干扰。

但是，现有标准仅考虑了高达 2 kHz

的频率。因此，有些制造商将主电

源干扰转移为超出标准范畴的 2 kHz

以上的频率范围内，并标榜为“抗

干扰”变频器。当前正在研究此区

域的极限。

步骤 1

降低主电源干扰

降低主电源干扰的选项

通常来说，可通过限制脉冲电流幅值来降低电动控制器的主电源干扰。这可改善功率因数 λ (lambda)。为避免对主电源质量造成重大影响，生成谐波的系统和设备可采用多种降低、避免或补偿方式。

– 变频器进线电抗器或直流回路电

抗器

– Slim 直流回路 – 每周期为 12、18 或 24 个脉冲的整

流器

– 无源滤波器 – 有源滤波器 – 有源前端和 VLT® Low Harmonic

Drives

进线电抗器或直流回路电抗器

即使简单的电抗器也可有效降低通过整流电路以主电源干扰形式反馈到主电源系统中的谐波量。变频器制造商经常将电抗器作为附加选件或改造版。

可将电抗器连接至变频器的前端（进线端）或整流器后面的直流回路。因为两个位置的电缆效应相同，因此无论电抗器安装在何处，都不会影响主电源干扰衰减量。

带有每周期为 12、18 或 24 个脉冲的整流器

每周期脉冲数（12、18 或 24）较多的整流电路生成的谐波量较低。过去经常将其用于大功率应用。

但是，必须用带有多个相位偏移次级绕组的特定变压器为整流器供电，以为整流级提供必需功率。除特定变压器的复杂性和规格外，此项技术的缺点还包括购买变压器和变频器需要较高投资成本。

无源滤波器

在谐波失真极限要求特别严格时，可将无源主电源干扰滤波器作为选件。无源滤波器包含电抗器和电容器等无源组件。

LC 系列电路特别适用于单个谐波频率，可与负载并联，将主电源输入端的总谐波失真 (THD) 降低为 10% 或 5%。滤波器模块可与单个变频器或一组变频器配合使用。为利用谐波滤波器获得最佳效果，滤波器必须匹配变频器实际获得的输入电流。

在电路设计方面，可将无源谐波滤波器安装在单个变频器或一组变频器的前端。

无源滤波器的优点

此类滤波器的性价比较高。操作员

以相对低的成本获得的谐波减少

量，可与 12 或 18 个脉冲/周期的整

流器获得的减少量相媲美。总谐波

失真 (THD) 可降低为 5%。

无源滤波器不会在 2 kHz 以上的频率

范围内生成干扰。由于滤波器包含

的均为无源组件，因此不存在磨损

且具有抗电磁干扰性和抗机械应力

性能。

无源滤波器的缺点

由于其设计，无源滤波器尺寸相对

较大，重量较重。此类过滤器在

80–100% 的负载范围内的效率非常

高。但是，电容式无功功率会随负

载的减少而增加，因此建议在空载

运行时，断开滤波电容器。

每个选项都有优缺点。进线电抗器价格更高，规格较大，且衰减量大于直流电抗器。优点是其能够同时保护整流器，免受主电源瞬态影响。直流电抗器位于直流回路上。价格较便宜，但通常不会被改装。装有这些电抗器时，B6 整流器的总谐波失真度可从无电抗器时的 80% 的 THD 降低到 40% 左右。已证实在变频器中使用带有 4% 的 Uk 的电抗器非常有效。只能利用经过特殊调节的滤波器来进一步降低失真度。

注：Danfoss VLT 变频器标配有直流回路电抗器。其可将主电源干扰降低为 THDi 的 40%。

降低主电源干扰

有源滤波器

当主电源干扰要求更加严格时，可使用有源电子滤波器。当有源滤波器与谐波发生器并联时，有源滤波器为电子吸收电路。滤波器可分析非线性负载生成的谐波电流，并提供补偿电流进行抵销。此电流能够完全中和连接点处相应的谐波电流。可调节补偿大小。如此，可根据需要完全补偿谐波，或（可能处于经济考虑）补偿程度仅让系统满足法定极限。在此再次强调，如果在存在时钟频率时操作这些滤波器，将生成 4–18 kHz 范围的主电源干扰。

有源滤波器的优点

操作员可将有源滤波器集成在主电源系统的任意位置作为主要措施，这取决于其是想补偿单个变频器、整组变频器还是整个配电系统。无需为每个变频器安装独立滤波器。总谐波失真可降低到 ≤ 4% 的 THD 量。

有源滤波器的缺点

缺点是投资成本相对较高。此外，这些滤波器在超过第 25 个谐波水平时使用，效果不佳。使用有源滤波器技术时，必须考虑滤波器本身生成的 2 kHz 以上的频率影响。这些滤波器可能需要进一步的措施来保持主电源系统清洁。

电源

集中补偿

成组补偿

单独补偿

可将有源滤波器安装在主电源系统的任意位置，取决于滤波器是为单个变频器、整组变频器还是整个主电源系统提供补偿。

满载电流和失真频谱

不带滤波器的典型情况

无滤波器

满负载时，高级谐波滤波器 (AHF) 可将总谐波失真降低为 5% 或 10%。

带有 AHF 010

带有 AHF 005

步骤 1

Slim 直流回路

近年来，带有“slim”直流回路的变频器的使用不断增加。如此，制造商能显著降低直流回路电容器的电容量。即使没有电抗器，也能将电流的第五个谐波降低到 40% 的 THD 水平以下。但是，其会导致原本不会出现的高频范围的主电源干扰。由于带有 slim 直流回路的设备的频谱范围较广，因此与连接至主电源的其他组件（例如荧光灯或变压器）产生共振的风险也较大。构想适当措施相对耗时且比较困难。

此外，带有 slim 直流回路的变频器的负载端存在缺点。使用此类变频器时，负载变化可导致电压较大变化。因此，电机主轴回应负载变化时产生振荡的可能性较大。也会增加卸载的难度。卸载期间，电机如同可生成峰值电压的发电机。为应对此问题，相对于传统设备，带有精益直流回路的设备能够实现快速关闭，避免因过载或过电压导致破损。由于电容较小或零电容，带有 slim 直流回路的变频器不适合在突然断开主电源时运行。一般而言，slim 直流回路大概有传统直流回路 10% 的电容。

除输入电流引发的主电源干扰外，在开关电机侧逆变器时，带有 slim 直流回路的变频器会损坏主电源。因为直流回路的电容较低或为零，可在主电源侧明显观察到此现象。

有源前端

描述有源前端 (AFE) 变频器时，经常会用到“低谐波变频器”(LHD)。但是，这里存在一点误导，因为低谐波变频器可能包含多种不同的技术，其中包括无源和有源抑制。有源前端变频器的输入电路上具有替代传统整流器的 IGBT 开关。这些电路采用了具有快速开关特性的半导体设备，可将

 传统直流回路  Slim 直流回路

带有 slim 直流回路的变频器可生成的谐波水平较高，尤其是在高频范围内。

– Slim 直流回路

输入电流强制为近正弦状，并且能够有效衰减低频主电源干扰。与带有 slim 直流回路的变频器类似，其可生成高频范围的主电源干扰。

有源前端是降低主电源干扰最昂贵的方式，因为其相当于补充性的全速运转的变频器，可将功率反馈给主电源系统。低谐波变频器选件不具有此功能，因此价格也相对便宜。

降低主电源干扰

AFE 的优点

在第三个至第五十个谐波范围内，总谐波失真可降低到 <4% 的 THD 水平。AFE 设备可实现四象限运行，这意味着电机的制动功率可反馈到主电源系统中。

AFE 的缺点

设备的技术复杂性较高，因此投资成本也较高。一般而言，包含两个变频器的 AFE 设备，其中一个变频器给电机供电，另一个变频器给主电源系统供电。由于增加了回路复杂度，因此电机运行时，变频器效率较低。

AFE 始终需要较高的直流回路电压，以实现正确操作运行。许多情况下，较高的电压会转移到电机上，进而增加电机绝缘压力。如果 AFE 设备的直流回路不是独立的，则滤波器故障会导致整个设备故障。

功率损耗会比带有不受控整流器的变频器高出 40 至 50% 以上。另一个缺点是设备使用时钟频率来纠正输入电流。频率范围为 3 至 6 kHz。

优质（和相对复杂）的设备会在给主电源系统供电前，过滤掉此时钟频率。当前适用标准和法规未包含

此频率范围。当前适用主电源分析

仪通常不采集此频率范围内的数

据，因此也不能测量影响。

但是，可在受影响主电源系统上操

作的所有设备中看出这些现象，例

如供电时输入电流的增加。只有在

未来几年内此影响才会引起注意。

因此，操作员应专门咨询制造商辐

射水平和应对措施，以便系统实现

可靠运行。

谐波抑制措施概览

成本

无线圈

直流线圈

交流 +

直流线圈

无源滤波器

10%

12 脉冲

18 脉冲

AFE

24 脉冲

有源滤波器

无源滤波器

谐波性能

步骤 1

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