變頻器的諧波干擾成因及工程抗除研究

李躍華

(深圳技師學(xué)院,廣東深圳 518000)

變頻器的諧波干擾成因及工程抗除研究

李躍華

(深圳技師學(xué)院,廣東深圳 518000)

該文主要敘述變頻器在使用中產(chǎn)生的諧波及其危害,針對諧波的產(chǎn)生機理進行了成因的研究分析,并在此基礎(chǔ)上提出了抗除干擾的辦法,并結(jié)合生產(chǎn)中的一個實例加以分享。

變頻器 諧波 干擾 解決辦法

采用變頻器驅(qū)動的電動機系統(tǒng)因其節(jié)能效果明顯、控制精確、維護簡單、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，與此同時，變頻器帶來的諧波干擾越也伴隨變頻器的普及越來越引起重視。變頻器干擾主要有兩大類：一是變頻器中普遍使用了晶閘管或者整流二極管等非線性整流器件，其產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，嚴重影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量。二是變頻器的輸出部分一般采用的是IGBT等開關(guān)器件，在輸出能量的同時將在輸出線上產(chǎn)生較強的電磁輻射干擾，影響周邊電器的正常工作。工程中用電壓畸變率用THDv來表示諧波干擾的強度，通常變頻器產(chǎn)生諧波引起的電壓畸變率THDv在10～40%左右，本文則致力于降低這一數(shù)值。

1 現(xiàn)行諧波的有關(guān)標準簡介

現(xiàn)行的有關(guān)標準主要有：國際標準、歐洲標準、國際電工委員會標準、中國國家標準，下面簡要介紹：

1.1 國際標準

IEC61000-2-2標準適用于公用電網(wǎng)，IEC61000-2-4標準適用于廠級電網(wǎng)，這兩個標準規(guī)定了不給電網(wǎng)造成損害所允許的最大諧波程度，它們規(guī)定了最大允許的電壓畸變率THDv。IEC61000-2-2標準規(guī)定了電網(wǎng)公共接入點處的各次諧波電壓含有的THDv不超過8%。

IEC61000-2-4標準分三類。第一類對諧波敏感場合(如計算機、實驗室等)THDv為5%；第二類針對電網(wǎng)公共接入點和一部分廠內(nèi)接入點THDv為8%；第三類主要針對廠內(nèi)接入點THDv為10%。

以上兩個標準還規(guī)定了電器設(shè)備所允許產(chǎn)生諧波電流的幅值，前者主要針對16A以下后者主要針對16A到64A。

IEEE519-1992標準是個建議標準，目標是將單次THDv限制在3%以下，總THDv限制在5%以下。

圖1 變頻器諧波干擾示意圖

圖2 使用交流/直流電抗器降低THDv

1.2 國家標準

GB/T14549-93《電能質(zhì)量共用電網(wǎng)諧波》中規(guī)定，公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值為380V(220V)電網(wǎng)電壓總THDv為5%，各次諧波電壓含有率奇次為4%，偶次為2%。

由以上標準看來，一般奇次電壓畸變率在3～6%，總電壓畸變率在5～8%的范圍內(nèi)才是合格的。

2 變頻器諧波干擾成因分析與研究

通常變頻器的內(nèi)部主電路為交-直-交原理，外部輸入380V／50Hz的工頻電源經(jīng)三相橋式不可控整流成直流電壓信號，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號。通常變頻器諧波干擾可分為傳導(dǎo)干擾和電磁輻射干擾，如圖1所示。

2.1 輸入和輸出側(cè)的傳導(dǎo)干擾

輸入側(cè)因整流回路的存在，對電網(wǎng)產(chǎn)生非線性的電壓變化，在三相橋式整流回路中，輸入電流的波形為矩形波，按照工程數(shù)學(xué)的計算，該矩形波可按傅立葉級數(shù)分解為基波和各次諧波，通常含有6n+1(n=l，2，3….)次諧波。其中的高次諧波對輸入側(cè)供電系統(tǒng)干擾較大。

輸出側(cè)輸出電壓和電流均有諧波含量。對于PWM控制的變頻器，只要是電壓型變頻器，不管是何種PWM控制，其輸出電壓波形均為矩形波。其中諧波頻率的高低是與變頻器調(diào)制頻率有關(guān)，若調(diào)制頻率較低(如1～2KHz)，人耳聽得見高次諧波頻率產(chǎn)生的電磁噪聲，表現(xiàn)為設(shè)備的尖銳噪聲，若調(diào)制頻率高(如IGBT變頻器可達20KHz)，雖然人耳聽不見，但高頻信號很容易經(jīng)檢驗設(shè)備檢出。

以上輸入側(cè)的方波與輸出側(cè)的矩形波，通過建立數(shù)學(xué)模型，采用傅立葉級數(shù)的分析方法，可得出各次諧波的含量。所以，輸出回路電流信號也可分解為只含正弦波的基波和其它各次諧波，而高次諧波電流對負載直接造成干擾。

2.2 變頻器電磁輻射干擾

高次諧波電流還通過電纜向空間形成電磁輻射，對附近的用電設(shè)備尤其是無線電設(shè)備產(chǎn)生較大的干擾，增加對用電設(shè)備的電磁兼容特性的要求，增加了設(shè)備成本。電磁輻射在傳導(dǎo)的過程中，與變頻器輸出線平行敷設(shè)的導(dǎo)線又會產(chǎn)生電磁耦合形成感應(yīng)干擾。

圖3 使用專用無源濾波器降低干擾

圖4 使用輸出電抗器減少變頻器的電磁輻射

3 變頻器諧波干擾對電網(wǎng)及其它設(shè)備的危害

圖5 使用隔離變壓器降低傳導(dǎo)干擾

圖6 雙孔磁芯濾波器

圖7 雙絞線降低工模干擾

一般來講，我們常用的變頻器因容量較小，對電網(wǎng)容量大的系統(tǒng)影響不十分明顯，這也就是諧波不被大多數(shù)用戶重視的原因。但是隨著變頻產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，如一棟樓宇中的電梯、風(fēng)機、空調(diào)等都采用變頻拖動的情況下，變頻器對系統(tǒng)的累計諧波干擾就不能忽視，必要時要加以研究分析并消除。一般認為變頻器諧波有如下所列舉的危害：

(1)諧波使電網(wǎng)中的電器元件產(chǎn)生了附加的能量損耗，降低了輸變電及用電設(shè)備的效率。

(2)諧波可以通過電網(wǎng)傳導(dǎo)到其它的用電器，影響了電氣設(shè)備的正常運行，比如諧波會使變壓器產(chǎn)生機械振動，使其局部過熱，絕緣老化，壽命縮短，以至于損壞，還有傳導(dǎo)來的諧波會干擾電器設(shè)備內(nèi)部軟件或硬件的正常運轉(zhuǎn)。

(3)諧波會引起電網(wǎng)中局部的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而使諧波放大。

(4)諧波或電磁輻射干擾會導(dǎo)致繼電器保護裝置的誤動作，使電氣儀表計量出現(xiàn)錯誤，甚至無法正常工作。

(5)電磁輻射干擾使經(jīng)過變頻器輸出導(dǎo)線附近的控制信號、檢測信號等弱電信號受到干擾，嚴重時使系統(tǒng)無法得到正確的檢測信號，或使控制系統(tǒng)紊亂。

4 消除變頻器諧波干擾的方法研究

4.1 增加交流/直流電抗器

一般加裝交流/直流電抗器可明顯降低諧波含量，如圖2所示，在變頻器進線端加裝交流電抗器，同時在變頻器內(nèi)部直流端加裝直流電抗器后，經(jīng)工程測算，電流的諧波含量THDv大約降低了30%～50%，是不加電抗器諧波電流含量的一半左右。

4.2 采用多相脈沖整流

在條件具備，或者要求產(chǎn)生的諧波限制在比較小的情況下，可以采用多相整流的方法。12相脈沖整流THDv大約為10%～15%，18相脈沖整流的THDv約為3%～8%，能滿足EN61000-3-12和IEEE519-1992嚴格標準的要求，缺點是需要專用變壓器和整流器，成本較高。

4.3 采用無源濾波器

采用無源濾波器后，如圖3，滿載時進線中的THDv可降至5%～10%，滿足EN61000-3-12和IEEE519-1992的要求，技術(shù)成熟，價格適中。適用于所有負載下的THDv＜30%的情況。缺點是輕載時功率因數(shù)會降低。

4.4 采用輸出電抗器

在變頻器到電動機之間采用增加交流電抗器的方法，如圖4，主要目的是減少變頻器的輸出端線路產(chǎn)生的電磁輻射。該電抗器必須安裝在距離變頻器最近的地方，盡量縮短與變頻器的引線距離。如果使用鎧裝電纜作為變頻器與電動機的連線時，可不使用這方法，但要做到電纜的鎧在變頻器和電動機端可靠接地，變頻器側(cè)要接在變頻器的地線端子上，再將變頻器接地。

4.5 使用隔離變壓器

使用隔離變壓器主要是應(yīng)對來自于電源的傳導(dǎo)干擾，如圖5。使用具有隔離層的隔離變壓器，可以將絕大部分的傳導(dǎo)干擾阻隔在隔離變壓器之前。同時還可以兼有電源電壓變換的作用。隔離變壓器常用于控制系統(tǒng)中的儀表、PLC，以及其它低壓小功率用電設(shè)備的抗傳導(dǎo)干擾。

4.6 使用濾波模塊或組件

目前市場中有很多專門用于抗傳導(dǎo)干擾的濾波器模塊或組件，這些濾波器具有較強的抗干擾能力，同時還具有防止用電器本身的干擾傳導(dǎo)給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能，對各類用電設(shè)備有很多好處。

常用雙孔磁芯濾波器的結(jié)構(gòu)見圖6所示。還有單孔磁芯的濾波器，其濾波能力較雙孔的弱些，但成本較低。

4.7 選用具有開關(guān)電源的儀表等低壓設(shè)備

一般開關(guān)電源的抗電源傳導(dǎo)干擾的能力都比較強，因為在開關(guān)電源的內(nèi)部也都采用了如圖5結(jié)構(gòu)類似的濾波器。因此在選用控制系統(tǒng)的電源設(shè)備，或者選用控制用電器的時候，盡量采用具有開關(guān)電源類型的。

4.8 作好信號線的抗干擾

信號線承擔(dān)著檢測信號和控制信號的傳輸任務(wù)，毋庸置疑，信號傳輸?shù)馁|(zhì)量直接影響到整個控制系統(tǒng)的準確性、穩(wěn)定性和可靠性，因此做好信號線的抗干擾是十分必要的。對于信號線上的干擾主要是來自空間的電磁輻射，有常態(tài)干擾和共模干擾兩種。

常態(tài)干擾是指疊加在測量信號線上的干擾信號，這種干擾大多是頻率較高的交變信號，其來源一般是耦合干擾。抑制常態(tài)干擾的方法有：

(1)在輸入回路接RC濾波器或雙T濾波器。

(2)盡量采用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，由于這種積分器工作的特點，具有一定的消除高頻干擾的作用。

(3)將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號再傳輸?shù)姆绞?，對于常態(tài)的干擾有非常強的抑制作用。

共模干擾是指信號線上共有的干擾信號，一般是由于被測信號的接地端與控制系統(tǒng)的接地端存在一定的電位差所致，這種干擾在兩條信號線上的周期、幅值基本相等，所以采用上面的方法無法消除或抑制。

對共模干擾的抑制方法如下：

(1)采用雙差分輸入的差動放大器，這種放大器具有很高的共模抑制比。

(2)把輸入線絞合，絞合的雙絞線能降低共模干擾，由于改變了導(dǎo)線電磁感應(yīng)e的方向，從而使其感應(yīng)互相抵消，如圖7示。

(3)采用光電隔離的方法，可以消除共模干擾。

(4)使用屏蔽線時，屏蔽層只一端接地。因為若兩端接地，由于接地電位差在屏蔽層內(nèi)會流過電流而產(chǎn)生干擾，因此只要一端接地即可防止干擾。

5 消除變頻器諧波干擾工程實例

某變頻控制液位顯示系統(tǒng)，液位計與變頻器在同一個柜體安裝，變頻器工作正常，而液位計顯示不準確且誤差極大，起初懷疑一次表、二次表、信號線及流體介質(zhì)有問題，更換所有這些儀表、信號電纜，并改善流體特性，故障依然存在。經(jīng)過分析，此故障就是變頻器的高次諧波電流通過輸出回路電纜向外輻射，傳遞到信號電纜，引起了干擾，將液位計信號線及其控制線與變頻器的控制線及主回路線分開一定距離，且柜體外信號線穿入鋼管敷設(shè)，外殼良好接地，故障現(xiàn)象消除。

6 結(jié)語

干擾的分布參數(shù)是很復(fù)雜的，因此在抗干擾時，應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)?shù)拇胧?，既要考慮效果，又要考慮價格因素，還要因現(xiàn)場情況而定。采用的措施只要能解決問題即可，往往過多的抗干擾措施有可能會產(chǎn)生額外的干擾，實踐中我們只有具體情況具體分析，不斷地解決實際問題，攻破技術(shù)難關(guān)。

[1]繳瑞山.《單片機控制技術(shù)》高等教育出版社,2003年5月.

[2]張振昭.《樓宇智能化技術(shù)》機械工業(yè)出版社,1999年5月.

[3]韓安榮.《通用變頻器及其應(yīng)用》機械工業(yè)出版社,2000年9月.