用于电梯的变频器滤波器及配件

电梯系统中谐波失真抑制方法综述

作者：Eric Danner 和 KEB America

变频器基础知识

如今，六脉冲变频器 (VFD) 因其可靠性、卓越的乘坐舒适性、能源效率和成本效益，被广泛应用于曳引式电梯。现代变频器由三个主要部分组成：输入整流器、直流母线电容器和输出绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)。输入整流器接收主线三相交流电 (AC) 并将其整流为直流电 (DC)。变频器上的输入整流器只允许电流单向流动，从而形成直流母线。直流母线由一组大型电容器组成，其中包含整流后的直流电。

直流母线电压约为交流线路电压的1.41倍。输入整流级是无源的，这意味着如果主线路出现纹波，直流母线会直接反映这些电压扰动。直流母线中的电容器有助于滤除这些纹波，并作为电机供电的备用电源。现代变频器的第三级是输出IGBT。输出IGBT以极高的频率（电梯应用中通常为8至16 kHz）导通和关断，从而控制流向电机的直流母线电压。输出IGBT只能导通或关断。变频器以可控的频率和幅度调制直流母线电压的过程称为脉冲宽度调制（PWM），它允许变频器输出模拟三相交流电压正弦波的直流电源，从而控制电机的转速和扭矩。输出IGBT是双向的，这意味着电流可以从直流母线双向流动。电流可以在电机带载运行时流向电机，也可以在电机处于再生制动状态时流回直流母线。脉宽调制 (PWM) 是变频器 (VFD) 应用于电梯的原理。

变频器会产生噪音

虽然脉宽调制（PWM）技术能够使电梯实现更佳的乘坐体验、更高的效率和更便捷的调试，但其设计本身会产生谐波失真。谐波失真是由变频器（VFD）的六脉冲整流器在向电机供电时产生的。这是因为为电梯电机供电的变频器本身就具有非线性负载。非线性负载的阻抗和电流会在其交流电周期内发生变化。例如，电梯变频器、计算机、LED灯和电视机都属于非线性负载。

这些设备与线性负载不同，线性负载具有稳定的阻抗，并从其电压源汲取近乎完美的正弦电流。线性负载的例子包括电阻器、电感器、电容器或从交流主线稳态运行的交流感应电机。变频器 (VFD) 的非线性负载输入整流级从电源汲取非正弦电流。这种不规则的电流会产生基频谐波（例如 50 或 60 Hz），这些谐波会影响建筑物供电系统的阻抗。六脉冲变频器会产生五次、七次、十一次、十三次等次谐波电流。

每个谐波电流都有一个特定的频率 n 谐波频率是线路频率的倍数，其幅度取决于负载。例如，基频（也称为一次谐波）的频率为 60 Hz；二次谐波的频率为 120 Hz；三次谐波的频率为 180 Hz；以此类推。

在电梯应用中，最显著的谐波出现在五次和七次谐波处。随着谐波次数的增加，其幅值会降低。较高的电流谐波会导致电力系统均方根 (RMS) 电流消耗增大。当系统相对于电源消耗大量电流谐波时，就会出现电源电压畸变。这种畸变如果足够严重，会导致同一电力系统上的其他设备发生故障，并导致电气元件过热，从而加速其失效。

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THDi 与 TDD

谐波失真可以测量，称为总谐波失真 (THDi)。THDi 是包含失真在内的谐波均方根值与基频均方根值的瞬时比值，以百分比表示。由于 THDi 是瞬时测量值，它会随电梯负载情况的变化而变化，因此对于元件制造商在根据额定电流水平选择设备时，THDi 具有重要意义。

对于电梯应用而言，总需求畸变率 (TDD) 能更准确地反映系统中的电气畸变。TDD 是总均方根谐波电流畸变率，以最大需求负载电流（15 分钟或 30 分钟需求）的百分比表示。由于 TDD 是随时间变化的平均值，因此它能更准确地描述影响电梯系统的电流谐波。

电气电子工程师协会 (IEEE) 519-2022 标准规定了楼宇电力系统在公共连接点 (PCC) 的总谐波失真 (THD) 为 8.0%。PCC 是电力公司电力系统与用户电力系统汇合的位置。对于电梯安装承包商而言，由于电梯承包商通常无法直接接触楼宇的电源，因此 PCC 通常被视为电梯控制器的主线断路器。理论上，如果控制器前的断路器符合 IEEE 519-2022 标准，则电梯系统不会导致楼宇其他电力系统出现不合规的情况。如果未按规定达到这些标准，设施通常会面临电力公司的罚款或连接限制。

功率因数

电梯应用中需要考虑的另一个指标是功率因数。功率因数表示在基频下用于做功的功率（有功功率）与传输的总电功率之比。理想的功率因数为 1.00，表示所有传输的功率都被负载消耗。当系统受到显著谐波的影响时，功率因数会迅速下降。当系统中的功率因数非常低时，需要增大电气元件的尺寸以容纳无功功率或谐波产生的无功功率。

3%或5%的管线阻风门

使用3%或5%的线路扼流圈或电抗器通常是降低变频器谐波失真最经济有效的方法。线路扼流圈安装在变频器的输入端，建议所有变频器应用都使用。无源线路扼流圈可以将总谐波失真(THDi)从约80%降低到约40%。THDi的降低可以防止电压故障和变频器直流母线电容器的过早损坏。使用线路电抗器可以使变频器直流母线电容器的寿命延长一倍。如果使用隔离变压器，则无需线路电抗器。

谐波滤波器

谐波滤波器是进一步降低电力系统谐波失真的有效方法。它们常用于医院、机场或数据中心等敏感电子设备共用同一电力系统的场所。谐波滤波器的无源设计无需单独的电子元件进行控制，并且在尺寸设计合理的情况下，可实现 8% 的总谐波失真指数 (THDi)，使系统符合 IEEE 519-2022 标准。其设计原理是利用经过精确计算的电感器和电容器，允许基频电流通过，同时阻断高次谐波电流。谐波滤波器内部的磁芯绕组采用优质钢片叠片制成，并针对具体应用进行了专门设计。

滤波器设计适用于 230V 和 480V 两种电压等级，并针对基频进行了优化，欧洲和北美应用分别采用 50Hz 或 60Hz 的基频。由于电流可以双向通过谐波滤波器，因此它也可以与再生式变频器配合使用。

谐波滤波器安装在变频器（VFD）或再生器（如有配备）的输入端，其尺寸应根据应用的输入电流确定。许多谐波滤波器具有 150% 的过载电流能力，可持续 60 秒，从而防止电压和瞬态负载尖峰的影响。正确的尺寸选择对其有效性至关重要，因为如果滤波器的尺寸小于应用电流，会导致磁芯过饱和。磁芯过饱和会降低谐波滤波器的有效性，并可能导致其性能超出 IEEE 519-2022 标准规范的要求。

谐波滤波器尺寸设计中还需考虑其通风和冷却问题。电流流过滤波器时，其磁芯会开始发热。如果电流过大导致磁芯过载，磁芯就会饱和，电阻增大，性能显著下降。因此，谐波滤波器必须具备足够的通风空间和外部气流。对于较大尺寸的谐波滤波器，通常会在其设计中集成风扇。对于大电流应用，可使用 NEMA 1 防护等级的外壳，以提高成本效益和空间利用率，并允许将其安装在控制面板外部。在这些应用中，可以将多个谐波滤波器并联，以满足额定电流的要求。

当谐波滤波器尺寸合适且通风良好时，额定负载下可实现 0.99 至 1.00 的功率因数和 8% 的总谐波失真 (THDi)。谐波滤波器还能保护变频器 (VFD) 和再生器免受线路侧扰动或电压瞬变的影响。这可以降低变频器内部电气元件的温度，延长变频器的使用寿命。研究表明，使用谐波滤波器可使变频器内部直流母线电容器的寿命延长 300%。当与所需电压与主线电压匹配的控制器一起使用时，由于滤波器的谐波性能远优于隔离变压器，因此无需使用隔离变压器。这可以节省成本，因为谐波滤波器的价格通常远低于隔离变压器。

图 6 显示了未使用线路扼流圈或谐波滤波器时电梯主线的电压和电流。输入电流峰值可达均方根值的 5 到 10 倍，导致直流母线上的纹波电流很高。这种纹波电流会降低电机的扭矩输出，从而影响乘坐舒适性。

图 7 显示了安装谐波滤波器后的同一条主线。安装谐波滤波器后，线路侧电流呈正弦波形，峰值电流幅值降低至均方根值的 1.4 倍。直流母线电压也趋于平坦，使得直流母线电容器几乎承受零纹波电流。直流母线纹波电流的显著降低可将电容器寿命延长三倍甚至更多，并带来更可预测的扭矩输出和更佳的乘坐舒适性。

AIC

谐波滤波器是一种经济高效的解决方案，可使对谐波敏感的电梯应用符合 IEEE 519-2022 标准，并延长系统电子元件的使用寿命。然而，其被动式设计限制了其总谐波失真 (THDi) 性能，使其受限于特定硬件组件。如果需要更高的谐波性能，则可采用有源馈入转换器 (AIC) 或有源前端 (AFE) 技术。

AIC系统提供最佳谐波性能，由两个背靠背的变频器组成。第一个变频器与线路电压同步，并将交流电压主动整流为直流电。该有源整流级使用电感电容滤波器连接到交流线路。其结果是，线路电流以接近纯正弦波的形式流出，谐波失真极低；在许多情况下，总谐波失真(THDi)可控制在3-5%之间。使用两组IGTB（集成增益阻尼器）使AIC技术具有能量再生能力。在所有负载水平下，功率因数均被调节至1.00。此外，由于有源整流器相对于地线会产生较高的共模电磁干扰(EMI)，因此系统前端必须配备高质量的电磁干扰(EMI)滤波器。第二个变频器用作电机驱动器，独立于前端整流级控制电机。

由于AIC采用高载波频率的PWM技术，其开关损耗比再生单元的块式换向更高。AIC滤波器的PWM铁损也高于同等尺寸的谐波滤波器。AIC系统只能连接到平衡的三相星形接法、中心接地的电气系统；不允许使用三角形接法。此外，各相电压的偏差应在±5%以内。对于采用老式三角形接法或相电压严重不平衡的建筑物，必须使用变压器。AIC的性能优于IEEE 519标准的要求，但更高的性能也意味着更高的成本。

电磁干扰滤波器

EMI滤波器是安装在变频器输入端之前的器件。EMI滤波器用于抑制高频电噪声的影响。EMI滤波器主要针对高频电噪声（最高可达30MHz），而谐波滤波器则用于处理频率低得多的功率谐波。对于电梯应用而言，由于其使用8kHz至16kHz的高输出IGBT开关频率，IGBT内部会产生热量积聚。

当这些高频信号与电气系统中的杂散电容相互作用时，就会产生寄生电流。这些寄生电流会干扰电源和同一电路上的其他设备，同时还会不必要地升高变频器内部IGBT的温度。这些额外的热量会造成能量浪费，并加速变频器的损耗。使用EMI滤波器可以降低这些寄生电流，从而延长变频器的使用寿命，并保护连接电源系统中其他敏感电子元件。EMI滤波器通过将寄生电流导入地线而不是将其导回电源来实现这一点。为了使EMI滤波器正常工作，必须采取正确的接地措施。接地非常重要，它提供了一条回流路径来释放高频噪声。通常，应创建一个低阻抗路径，以便EMI噪声能够顺利释放。为了获得最佳接地效果，尽可能短的接地线是最佳选择。扁平编织接地带是最佳选择，因为它提供了较大的连接表面积并降低了阻抗。电梯应用中，如果不使用 EMI 滤波器和适当的接地，驱动器和控制器可能会出现干扰故障。

dV/dt 滤波器

在变频器 (VFD) 的输出端，也可能出现电噪声和失真。dV/dt 扼流圈是一种无源电感器，连接在变频器的输出端和电机之间，用于缓解这些问题。当变频器采用脉宽调制 (PWM) 时，驱动器中的 IGBT 会快速导通和关断，以控制电梯电机的速度和扭矩。当 IGBT 闭合时，变频器输出端的电压会上升到驱动器直流母线的电压。电压变化并非瞬时完成，而是在一定时间 (T) 内逐渐上升到直流母线电压。_上升电压上升速率称为 dV/dt 上升时间，是 IGBT 设计的一个特性。

在电机引线较长的应用中，电机引线的阻抗会与变频器 (VFD) 的脉宽调制 (PWM) 控制产生相互作用。电机引线的阻抗取决于引线的长度和材质。几乎不可能使电机和引线的阻抗完全匹配。当电机引线与电机之间的阻抗不匹配时，电机引线会像传输线一样，将变频器的输出电压传播到电机。这些波的反射会导致电机电压过冲，同时也会将反射波返回到变频器。如果反射波叠加到变频器输出的基波上，则输送到电机的电压会显著升高。在变频器输出端直接放置一个 dV/dt 扼流圈，可以将电压变化率 (dV/dt) 限制在滤波器设计特性所决定的范围内。该滤波器还可以降低电机中的电流纹波和转子损耗。

图 11 显示了一个 480V 应用，其直流母线空载电压为 675V，电机引线长度为 25 英尺，且未使用 dV/dt 电感器。电机接收到的峰值电压为 988V。如果将电机与变频器之间的距离增加到 75 英尺（如图 12 所示），则电机端子上的最大电压将增加到接近 1,326V。

这几乎是变频器直流母线电压的两倍！这些反复出现的电压尖峰会对电机造成非常严重的损害，如果不加以纠正，甚至会导致乘坐舒适性问题。

现代三相交流电梯电机均为“变频器额定”电机，设计峰值电压至少为 1600 V；然而，反复出现的 dV/dt 尖峰会对电机内部的绕组和绝缘层造成显著的压力。在高开关频率应用中，例如输出电压为 8 kHz 至 16 kHz 的电梯，电机的磨损速度会更快。图 13 显示了一个“受保护电机”，其接线方式与之前的 480 V 配置相同，并加装了 dV/dt 电感。加装 dV/dt 电感后，变频器 (VFD) 在电机端子处的峰值电压降至 951 V，电机电压降低了 40%！这种电压降低显著保护了电机绕组，并有助于提升乘坐舒适性。

对于所有电机距离变频器超过 40 英尺（约 12 米）的变频器应用，建议使用 dV/dt 电感器。在较短距离内使用 dV/dt 电感器是最佳实践，但并非必须。dV/dt 电感器可用于永磁电机和感应电机。滤波器的低电感不会影响变频器在学习电机型号或编码器位置（对于永磁电机）时测量电机电阻、电感和死区时间的能力。电感器适用于高达 550 VAC 的电压，并根据应用电流进行选型。dV/dt 电感器是延长电机寿命的绝佳方法，而且通常成本仅为更换电机的一小部分。

铁氧体环

降低电机和变频器之间电噪声最简单、最经济有效的方法是使用铁氧体磁环。铁氧体磁环是由陶瓷磁性材料制成的无源电感器，有助于滤除高频噪声。铁氧体磁环广泛应用于各种需要功率传输的场合。例如，电脑充电器两端的塑料小外壳就是铁氧体磁环。

在电梯应用中，变频器 (VFD) 的脉宽调制 (PWM) 信号以及电机引线和电机本身的寄生电容会产生不必要的高频电流。铁氧体磁环的电感可以提高变频器输出端与电缆之间的阻抗，从而滤除这些高频电流。铁氧体磁环安装在变频器的输出端，电机引线穿过磁环。使用铁氧体磁环有助于消除变频器和电梯控制器的干扰故障，并防止寄生电流导致电机轴承和绕组过早损坏。

结论——技术比较

现代电梯市场对清洁、无失真电源有着极高的要求。有很多方法可以降低谐波失真，延长电气和电梯系统中设备的使用寿命。线路扼流圈、谐波滤波器、AIC技术、EMI滤波器、dV/dt扼流圈和铁氧体磁环等都是可行的选择，它们的成本和性能各不相同，可以满足各种应用系统的要求。工程师和顾问必须权衡系统的成本和性能要求，才能确定最适合应用的设备。高效地满足这些要求，才能打造出持久耐用、安全高效的电梯。