理解闪变：对电能质量的影响及变频驱动器的缓解作用
本文探讨闪变主题，视角不同可视为电能质量或电磁兼容 (EMC) 问题。我们将考察变频驱动器 (VSD) 是否引起闪变，以及其在何处可帮助解决闪变问题。
“闪变”指供电电压快速变化对电照明的影响。从大负载突然投切引起的偶发单次跌落或闪光，到电压在人眼大脑特别敏感的 0.5-20 Hz 频率范围内被调制产生的恼人快速闪烁，均属闪变。
闪变有时与谐波等电能质量问题混淆。谐波频率为供电频率整数倍，远超人眼响应能力。但闪变和谐波电压均由负载电流因电源阻抗影响电压引起，故在供电阻抗高 (如长供电线路) 的场所，谐波电压和闪变问题常共存。
图 1 显示夸张波形，模拟供电频率 1/5 处的闪变。图 2 显示模拟 5 次谐波。图 2 每周波畸变但形状相同，故无闪变。
电力供应商须确保电能质量合格，并有闪变指标。通常仅在投诉时测量，极少常规测试装置 (风力发电等特殊系统除外)。
大批量制造的电气产品可能须满足闪变产品标准。最知名国际标准为 IEC 61000-3-3 或欧标 EN 61000-3-3，规定额定电流 ≤16A/相 产品的测试和限值。欧盟下该标准经 EMC 指令协调，范围内设备通常须符合以贴 CE 标志上市。≤75A/相 适用 IEC 61000-3-11。标准在敏感 0.5-20 Hz 重复频率范围有严格限值，25 Hz 以上无限值。
所有闪变标准要求测量评估考虑电灯动态行为和人眼大脑敏感度。闪变曲线 (后述) 基于钨丝灯。钨丝灯因电压-功率平方关系对电压敏感，但热质量平滑快速波动。当然白炽灯现已罕见。荧光灯特性不同，平滑效应较小。LED 灯常带调节器不受电压影响，除非设计用于调光。标准未来或更新反映现代灯具行为，但更换测试设备和重测产品成本高昂。基于白炽灯的限值恐将延续数年。
间谐波
间谐波为非供电频率整数倍的不需要频率，谱中位于谐波之间。若靠近真谐波可导致供电电压表观调制。简单电阻负载如白炽灯不因间谐波闪变，因频率高灯仅响应电压有效值运行平均。但整流器等非线性负载可产生和差频，若间谐波接近供电频率整数倍可包含低频。图 3 示 5.2 次间谐波例。峰值幅度可见调制，但有效值电压无调制，不会测为闪变。此波形可出现在再生驱动器或其他有源功率控制器中，其开关频率未与供电锁相。
闪变成因
闪变总由从电网汲取电流变化引起，导致供电电压变化进而影响包括照明在内的其他负载。下列为常见来源：
单次事件：
- 电机直接起动。这是单次电压跌落最常见原因。感应电机起动电流为额定值 3-5 倍，且起动电流滞后电压相位，使供电阻抗 (通常以感性为主) 压降大于电阻负载。
- 大型电子装置 (如驱动器) 电容充电涌流起动
- 大型变压器励磁涌流起动
- 背压下起动压缩机或泵，导致高起动转矩
频繁随机事件：
- 电弧炉
- 电弧焊机
- 频繁重负载峰值机械，如混合机、压力机等
周期性或近周期性事件：
- 自动点焊机
- 往复泵/压缩机或类似脉动负载
- 固态开关频繁动作的温控器或其他通过切换负载工作的控制器
- 串发晶闸管/双向可控硅控制器
变频驱动器对闪变的影响
驱动器本身
驱动器自身引起闪变仅可能通过上电时电容充电涌流。Control Techniques 驱动器设计使涌流不超额定输入电流，故电压跌落不超额定功率正常运行时的跌落。
控制系统
若驱动器所在系统导致驱动器产生快速波动功率输出则可引起闪变。可能由编程周期性运行或反馈控制回路临界稳定性引起。任何控制系统应评估确保不引起过度闪变。
多轴快速周期运动机器中，可编排控制使功率峰值顺序出现。这可将闪变频率乘以轴数，若超 25 Hz 可消除问题。
负载端
电机起动
驱动器彻底消除电机起动突发电压跌落。电机频率电压受控斜坡上升限制电流，且驱动器输入电流与输出功率成正比而非输出电流，故输入电流仅随电机转速上升而增加。若替代方案是昂贵加强供电系统，驱动器仅因不引起过大电压跌落起动这一优势就值得投资。
往复泵等脉动负载
驱动器直流母线电容储能极有限，不足以平滑闪变周期，故负载功率波动时驱动器输入电流同步波动。除非采取特殊措施，驱动器不补偿负载波动。
通常驱动器对脉动负载引起的闪变水平无影响，但可能使情况恶化：
- 首先，降低转速可能将脉动频率降至关键 25 Hz 以下，闪变变得可感知。
- 其次，若驱动器系统配置为脉动负载转矩下紧密转速控制，则会增强功率波动，因阻止电机在转矩周期中减速/加速。这减少了机械惯性 (含飞轮) 储存能量的益处。除非有特定理由在转矩周期内精确控制转速，否则不建议对脉动负载使用闭环转速控制或转差补偿。实际上允许转速随转矩变化以利用机械储存能量更好。
若必须用闭环转速控制，最好采用以积分为主、低增益的控制器。这样精确控制平均转速，但控制器不抵抗感应电机转差引起的周期内自然周期性变化。此建议看似反直觉，因我们倾向认为变频驱动器提供快速精确转速控制，但快速控制反而减少飞轮或其他惯性储能益处。
上述讨论针对感应电机。永磁电机转速固有紧密调节，转矩脉动直接反映为输入功率，无转差缓冲可能。可在驱动器编程特殊控制算法，在旋转周期内允许转速随转矩上升动态下降，同时保持长期平均转速在期望值。这趋于保持功率恒定 (功率=转矩×转速)，而功率决定输入电流。Control Techniques 拥有此专利应用。某些应用中可能带来机械设计成本节约，如多缸往复泵/压缩机可替换为单缸。
闪变限值
闪变用 IEC 61000-4-15 定义的“闪变计”测量。设备限值在 IEC 61000-3-3 和 IEC 61000-3-11 等标准中设定。
闪变测量的是供电电压波动。产品测试时，测试系统须包含标准定义的模拟电网阻抗。IEC 61000-3-3 限值基于 230V 50Hz 供电、阻抗 (0.4+j0.25) Ω，模拟极“弱”电网即短路电流低。
图 4 显示 IEC 61000-3-3 简单重复矩形电压变化限值 (230V 50Hz)。频率轴代表每秒完整周期数，即每周期包含两个等大反向阶跃。其他波形有进一步评估规则。图清晰显示关键 0.5-20 Hz 范围允许电平极低。
降低闪变
已探讨变频驱动器减少电机起动或脉动负载闪变的方式。
常规方法包括多缸往复泵平滑转矩、飞轮。
大功率脉动不可避免时，供电接入点应靠近厂区进线，避免与其他负载共用电缆压降。照明电路也应单独靠近进线接入。
极端情况下可能需装设低阻抗新供电线路。考虑到高成本，值得探索创造性使用变频驱动器是否能规避成本。
工业技术