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变频器谐波干扰防治实例
2006年3月20日 9:21  来源:工业自动化控制网

    本文对变频器的谐波产生机理、谐波干扰途径、谐波干扰的危害以及抑制谐波干扰常用的方法进行了分析,同时给出了抑制谐波干扰的几个典型实例。 

    1、  引言
    
    近年来,由于调速和节能的需要,越来越多的场合用到了变频调速技术。其中的核心部分变频器是电力电子器件,有电子元器件,计算机芯片,易受外界的一些电气干扰,因此,变频器投入电网运行时,需要考虑电网电压是否对称,变压器容量的大小及配电母线上是否接有非线性设备等;另一方面,变频器本身输入侧是一个非线性整流电路,对电源的波形将有影响,变频器输出侧电压、电流、非正弦或非完全正弦波含有丰富的谐波。由于变频器中要进行大功率二极管整流、大功率晶体管逆变,结果是在输入输出回路产生电流高次谐波,干扰供电系统、负载及其它邻近电气设备。在实际使用过程中,经常遇到变频器谐波干扰问题,下面简单介绍变频器谐波产生的机理、干扰途径、危害以及有效防止或抑制干扰的对策。

    2、  变频器谐波产生机理
    
    变频器的主电路一般为交-直-交组成,外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥式不可控整流成直流电压信号,经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。
    
    输入侧产生谐波机理:不限于通用变频器,晶闸管供电的直流电动机、无换向器电动机等凡是在电源侧有整流回路的,都将产生因其非线性引起的谐波。在三相桥式整流回路中,输入电流的波形为矩形波,波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波,通常含有6n+1(n=l,2,3….)次谐波。其中的高次谐波将干扰输入供电系统。
    
    输出侧产生谐波机理:在逆变输出回路中,输出电压和电流均有谐波。对于PWM控制的变频器,只要是电压型变频器,不管是何种PWM控制,其输出电压波形为矩形波。其中谐波频率的高低是与变频器调制频率有关,调制频率低(如1~2KHz),人耳听得见高次谐波频率产生的电磁噪声(尖叫声)。若调制频率高(如IGBT变频器可达20KHz),人耳听不见,但高频信号是客观存在。从电压方波及电流正弦锯齿波,用傅立叶级数不难分析出各次谐波的含量。所以,输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其它各次谐波,而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射,干扰邻近电气设备。

    3、  谐波干扰途径

    变频器谐波干扰途径还是与一般无线电干扰一样分传导和辐射,在传导的过程中,与变频器输出线平行敷设的导线又会产生电磁耦合形成感应干扰;变频器输出侧谐波又会辐射,对附近的无线电设备产生干扰,其干扰途径如图1所示。

    4、  谐波干扰的危害
    
    (1)变压器:电流谐波将增加铜损,电压谐波将增加铁损,综合效果是使变压器温度上升,影响其绝缘能力,并造成容量裕度减小。谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振,及引起铁心磁通饱和或歪斜,而产生噪声。

    (2)电动机:输出谐波对电动机的影响主要有,引起电动机附加发热,导致电动机的额外温升,电动机往往要降额使用,由于输出波形失真,增加电动机的重复峰值电压,影响电动机的绝缘,谐波还会引起电动机转矩脉动,以及噪声增加。

    (3)电力电容器组:一般电容器的标准规范,规定其最大电流只允许35%的超载,但实际运转时,由于谐波的影响,以致常发生严重过载。由于电容器之阻抗,随频率的增加而减少,故谐波产生时,电容器即成为一陷流点,流入大量电流,因而导致过热、增加介电质的应力,甚至损坏电力电容器。当电容器与线路阻抗达到共振条件时,会发生振动短路、过电流及产生噪声。

    (4)开关设备:由于谐波电流的存在,开关设备在起动瞬间产生很高di/dt的电流变化率,致使增加暂态恢复电压的峰值,以致破坏绝缘。

    (5)保护电器:电流中含有谐波,必产生额外的转矩,改变电器的动作特性,以致引起误动作。

    (6)计量仪表:电能表等计量仪表,因谐波而会造成感应转盘产生额外的电磁转矩,引起误差,降低精确度。

    (7)电力电子设备:在多种场合,电子设备常会产生谐波的电流源,且很容易感受谐波失真而误动作。

    (8)其它还有如照明设备、通信设备、电视及音响设备、电脑设备、载频遥控设备等都容易受谐波的干扰而影响其正常的工作或减少其使用寿命。

    5、  抑制谐波干扰的对策
    
    谐波的传播途径是传导和辐射,解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离;解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。具体的常用方法有:
 
    5、1  在变频器输入侧的对策: 
     
    (1)变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立,或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器,切断谐波电流。

    (2)设置交流电抗器。

    (3)设置交流滤波器。

    (4)整流器的多重化技术,对于大容量晶闸管变频器可以采取这种方法,将电源侧整流器分两个,在其输入侧装设Y,y-d或D,y-d绕组联结的变压器,利用多重化抑制流向电源侧的高次谐波。因为需要将整流器分开,所以在通用变频器中不采用[1]。

    5、2  在变频器输出侧的对策
    
    防止输出侧谐波干扰的对策,大致分为两大类,第一类属传统式,即向降低杂讯大小入手;第二类属于新尝试,其基本的观念及作法是企图将无意义的杂讯转变为可选择的咨询。这种方法在试验中证实了其有效性[2]。其中第一类方法可分为:
    
    (1)采用高于人耳不能听到的开关频率高的电力电子器,如MOSFET,IGBT等;

    (2)在变频器输出端后加装滤波器使送至电力设备前的电源波形为正弦波;

    (3)改善PWM调制方法,降低谐波含量;

    (4)用闭环控制的方法,如ADSM及DSMC,来改善一般传统PWM的谐波现象。
    
    另外,在电动机和变频器之间的电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆,并与其它弱电信号在不同的电缆沟分别敷设,避免辐射干扰。
    
    信号线采用屏蔽线,且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离(至少20cm以上),切断辐射干扰。
    
    变频器使用专用接地线,且用粗短线接地,邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开,使用短线。这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰[3]。

    6、  抑制谐波干扰实例
    
    例1,某变频切换控制系统,变频器启动运行正常,而邻近液位计读数偏高,一次表输入4mA时,液位显示不是下限值;液位未到设定上限值时,液位计却显示上限,致使变频器接收停机指令,迫使变频器停止运行。
     
    这显然是变频器的高次谐波干扰液位计,干扰传播途径是液位计的电源回路或信号线。解决办法:将液位计的供电电源取自另一供电变压器,谐波干扰减弱,再将信号线穿入钢管敷设,并与变频器主回路线隔开一定距离,经这样处理后,谐波干扰基本抑制,液位计工作恢复正常。
    
    例2,某变频控制液位显示系统,液位计与变频器在同一个柜体安装,变频器工作正常,而液位计显示不准且不稳,起初我们怀疑一次表、二次表、信号线及流体介质有问题,更换所有这些仪表、信号电缆,并改善流体特性,故障依然存在,而这故障就是变频器的高次谐波电流通过输出回路电缆向外辐射,传递到信号电缆,引起干扰。
    
    解决办法:液位计信号线及其控制线与变频器的控制线及主回路线分开一定距离,且柜体外信号线穿入钢管敷设,外壳良好接地,故障排除。
    
    例3,某变频控制系统,由两台变频器组成,且在同一柜体内,变频器调频方式均为电位器手调方式,运行某一台变频器时,工作正常,两台同时运行时,频率互相干扰,即调节一台变频器的电位器对另一台变频器的频率有影响,反过来也一样。开始我们认为是电位器及控制线故障,排除这种可能后,断定是谐波干扰引起。
    
    解决办法:把其中一只电位器移到其他柜体固定,且引线用屏蔽信号线,结果干扰减弱。为了彻底抑制干扰,重新加工一个电控柜,并与原柜体一定距离放置,把其中的一台变频器移到该电控柜,相应的接线及引线作必要的改动,这样处理后,干扰基本消除,故障排除。
    
    例4,某变频控制系统,切换两套机泵,原先机泵是靠自耦降压启动工频运行正常,现改为变频运行,虽能实现调频减速功能,但变频器输出端到电动机间的输出线严重发热,电动机外壳温升加重,经常出现保护跳闸。这是由于变频器输出电压和电流信号中包含PWM高次谐波,而谐波电流在输出导线和电动机绕线上形成附加功率损耗。
    
    解决办法:把变频器输入线与输出线分开,分别走各自的电缆沟,选用大一号截面的电缆换原先电缆,输出端与电动机之间的电缆长度尽可能短。这样处理后,发热故障排除。对现场出现的各种变频器高次谐波干扰,基本上都能照以上介绍的方法顺利抑制,但对谐波成分及幅度要求很严的设备,彻底抑制高次谐波干扰非常困难,有待进一步攻关解决。

参考文献:

[1]吴忠智,吴加林.变频器应用手册[S].北京:机械工业出版社,2002年7月第2版
[2]许振茂.变频调速器使用手册[M].北京:兵器工业出版社,1992
[3]三菱变频调速器FR—E500使用手册[S]

 
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