變頻器諧波產(chǎn)生的機(jī)理及抑制干擾的對(duì)策

1、 引言

近年來(lái)，由于調(diào)速和節(jié)能的需要，越來(lái)越多的場(chǎng)合用到了變頻調(diào)速技術(shù)。其中的核心部分變頻器是電力電子器件，有電子元器件，計(jì)算機(jī)芯片，易受外界的一些電氣干擾，因此，變頻器投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，需要考慮電網(wǎng)電壓是否對(duì)稱，變壓器容量的大小及配電母線上是否接有非線性設(shè)備等；另一方面，變頻器本身輸入側(cè)是一個(gè)非線性整流電路，對(duì)電源的波形將有影響，變頻器輸出側(cè)電壓、電流、非正弦或非完全正弦波含有豐富的諧波。由于變頻器中要進(jìn)行大功率二極管整流、大功率晶體管逆變，結(jié)果是在輸入輸出回路產(chǎn)生電流高次諧波，干擾供電系統(tǒng)、負(fù)載及其它鄰近電氣設(shè)備。在實(shí)際使用過(guò)程中，經(jīng)常遇到變頻器諧波干擾問(wèn)題，下面簡(jiǎn)單介紹變頻器諧波產(chǎn)生的機(jī)理、干擾途徑、危害以及有效防止或抑制干擾的對(duì)策。

2、 變頻器諧波產(chǎn)生機(jī)理

變頻器的主電路一般為交-直-交組成，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(hào)，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開(kāi)關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號(hào)。

輸入側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理：不限于通用變頻器，晶閘管供電的直流電動(dòng)機(jī)、無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)等凡是在電源側(cè)有整流回路的，都將產(chǎn)生因其非線性引起的諧波。在三相橋式整流回路中，輸入電流的波形為矩形波，波形按傅立葉級(jí)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。其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。

輸出側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理：在逆變輸出回路中，輸出電壓和電流均有諧波。對(duì)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)，調(diào)制頻率低（如1～2KHz），人耳聽(tīng)得見(jiàn)高次諧波頻率產(chǎn)生的電磁噪聲（尖叫聲）。若調(diào)制頻率高（如IGBT變頻器可達(dá)20KHz），人耳聽(tīng)不見(jiàn)，但高頻信號(hào)是客觀存在。從電壓方波及電流正弦鋸齒波，用傅立葉級(jí)數(shù)不難分析出各次諧波的含量。所以，輸出回路電流信號(hào)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(duì)負(fù)載直接干擾。另外高次諧波電流還通過(guò)電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。

3、 諧波干擾途徑

變頻器諧波干擾途徑還是與一般無(wú)線電干擾一樣分傳導(dǎo)和輻射，在傳導(dǎo)的過(guò)程中，與變頻器輸出線平行敷設(shè)的導(dǎo)線又會(huì)產(chǎn)生電磁耦合形成感應(yīng)干擾；變頻器輸出側(cè)諧波又會(huì)輻射，對(duì)附近的無(wú)線電設(shè)備產(chǎn)生干擾，其干擾途徑如圖1所示。

4、 諧波干擾的危害

（1）變壓器：電流諧波將增加銅損，電壓諧波將增加鐵損，綜合效果是使變壓器溫度上升，影響其絕緣能力，并造成容量裕度減小。諧波也可能引起變壓器繞組及線間電容之間的共振，及引起鐵心磁通飽和或歪斜，而產(chǎn)生噪聲。

（2）電動(dòng)機(jī)：輸出諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響主要有，引起電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的額外溫升，電動(dòng)機(jī)往往要降額使用，由于輸出波形失真，增加電動(dòng)機(jī)的重復(fù)峰值電壓，影響電動(dòng)機(jī)的絕緣，諧波還會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，以及噪聲增加。

（3）電力電容器組：一般電容器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，規(guī)定其最大電流只允許35％的超載，但實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于諧波的影響，以致常發(fā)生嚴(yán)重過(guò)載。由于電容器之阻抗，隨頻率的增加而減少，故諧波產(chǎn)生時(shí)，電容器即成為一陷流點(diǎn)，流入大量電流，因而導(dǎo)致過(guò)熱、增加介電質(zhì)的應(yīng)力，甚至損壞電力電容器。當(dāng)電容器與線路阻抗達(dá)到共振條件時(shí)，會(huì)發(fā)生振動(dòng)短路、過(guò)電流及產(chǎn)生噪聲。

（4）開(kāi)關(guān)設(shè)備：由于諧波電流的存在，開(kāi)關(guān)設(shè)備在起動(dòng)瞬間產(chǎn)生很高di／dt的電流變化率，致使增加暫態(tài)恢復(fù)電壓的峰值，以致破壞絕緣。

（5）保護(hù)電器：電流中含有諧波，必產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩，改變電器的動(dòng)作特性，以致引起誤動(dòng)作。

（6）計(jì)量?jī)x表：電能表等計(jì)量?jī)x表，因諧波而會(huì)造成感應(yīng)轉(zhuǎn)盤(pán)產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩，引起誤差，降低精確度。

（7）電力電子設(shè)備：在多種場(chǎng)合，電子設(shè)備常會(huì)產(chǎn)生諧波的電流源，且很容易感受諧波失真而誤動(dòng)作。

（8）其它還有如照明設(shè)備、通信設(shè)備、電視及音響設(shè)備、電腦設(shè)備、載頻遙控設(shè)備等都容易受諧波的干擾而影響其正常的工作或減少其使用壽命。

5、 抑制諧波干擾的對(duì)策

諧波的傳播途徑是傳導(dǎo)和輻射，解決傳導(dǎo)干擾主要是在電路中把傳導(dǎo)的高頻電流濾掉或者隔離；解決輻射干擾就是對(duì)輻射源或被干擾的線路進(jìn)行屏蔽。具體的常用方法有：

5、1 在變頻器輸入側(cè)的對(duì)策：

（1）變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立，或在變頻器和其他用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器，切斷諧波電流。

（2）設(shè)置交流電抗器。

（3）設(shè)置交流濾波器。

（4）整流器的多重化技術(shù)，對(duì)于大容量晶閘管變頻器可以采取這種方法，將電源側(cè)整流器分兩個(gè)，在其輸入側(cè)裝設(shè)Y，y-d或D，y-d繞組聯(lián)結(jié)的變壓器，利用多重化抑制流向電源側(cè)的高次諧波。因?yàn)樾枰獙⒄髌鞣珠_(kāi)，所以在通用變頻器中不采用。

5、2 在變頻器輸出側(cè)的對(duì)策

防止輸出側(cè)諧波干擾的對(duì)策，大致分為兩大類，第一類屬傳統(tǒng)式，即向降低雜訊大小入手；第二類屬于新嘗試，其基本的觀念及作法是企圖將無(wú)意義的雜訊轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛇x擇的咨詢。這種方法在試驗(yàn)中證實(shí)了其有效性。其中第一類方法可分為：

（1）采用高于人耳不能聽(tīng)到的開(kāi)關(guān)頻率高的電力電子器，如MOSFET，IGBT等；

（2）在變頻器輸出端后加裝濾波器使送至電力設(shè)備前的電源波形為正弦波；

（3）改善PWM調(diào)制方法，降低諧波含量；

（4）用閉環(huán)控制的方法，如ADSM及DSMC，來(lái)改善一般傳統(tǒng)PWM的諧波現(xiàn)象。

另外，在電動(dòng)機(jī)和變頻器之間的電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜，并與其它弱電信號(hào)在不同的電纜溝分別敷設(shè)，避免輻射干擾。

信號(hào)線采用屏蔽線，且布線時(shí)與變頻器主回路控制線錯(cuò)開(kāi)一定距離（至少20cm以上），切斷輻射干擾。

變頻器使用專用接地線，且用粗短線接地，鄰近其他電器設(shè)備的地線必須與變頻器配線分開(kāi)，使用短線。這樣能有效抑制電流諧波對(duì)鄰近設(shè)備的輻射干擾。

6、 抑制諧波干擾實(shí)例

例1，某變頻切換控制系統(tǒng)，變頻器啟動(dòng)運(yùn)行正常，而鄰近液位計(jì)讀數(shù)偏高，一次表輸入4mA時(shí)，液位顯示不是下限值；液位未到設(shè)定上限值時(shí)，液位計(jì)卻顯示上限，致使變頻器接收停機(jī)指令，迫使變頻器停止運(yùn)行。

這顯然是變頻器的高次諧波干擾液位計(jì)，干擾傳播途徑是液位計(jì)的電源回路或信號(hào)線。解決辦法：將液位計(jì)的供電電源取自另一供電變壓器，諧波干擾減弱，再將信號(hào)線穿入鋼管敷設(shè)，并與變頻器主回路線隔開(kāi)一定距離，經(jīng)這樣處理后，諧波干擾基本抑制，液位計(jì)工作恢復(fù)正常。

例2，某變頻控制液位顯示系統(tǒng)，液位計(jì)與變頻器在同一個(gè)柜體安裝，變頻器工作正常，而液位計(jì)顯示不準(zhǔn)且不穩(wěn)，起初我們懷疑一次表、二次表、信號(hào)線及流體介質(zhì)有問(wèn)題，更換所有這些儀表、信號(hào)電纜，并改善流體特性，故障依然存在，而這故障就是變頻器的高次諧波電流通過(guò)輸出回路電纜向外輻射，傳遞到信號(hào)電纜，引起干擾。

解決辦法：液位計(jì)信號(hào)線及其控制線與變頻器的控制線及主回路線分開(kāi)一定距離，且柜體外信號(hào)線穿入鋼管敷設(shè)，外殼良好接地，故障排除。

例3，某變頻控制系統(tǒng)，由兩臺(tái)變頻器組成，且在同一柜體內(nèi)，變頻器調(diào)頻方式均為電位器手調(diào)方式，運(yùn)行某一臺(tái)變頻器時(shí)，工作正常，兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，頻率互相干擾，即調(diào)節(jié)一臺(tái)變頻器的電位器對(duì)另一臺(tái)變頻器的頻率有影響，反過(guò)來(lái)也一樣。開(kāi)始我們認(rèn)為是電位器及控制線故障，排除這種可能后，斷定是諧波干擾引起。

解決辦法：把其中一只電位器移到其他柜體固定，且引線用屏蔽信號(hào)線，結(jié)果干擾減弱。為了徹底抑制干擾，重新加工一個(gè)電控柜，并與原柜體一定距離放置，把其中的一臺(tái)變頻器移到該電控柜，相應(yīng)的接線及引線作必要的改動(dòng)，這樣處理后，干擾基本消除，故障排除。

例4，某變頻控制系統(tǒng)，切換兩套機(jī)泵，原先機(jī)泵是靠自耦降壓?jiǎn)?dòng)工頻運(yùn)行正常，現(xiàn)改為變頻運(yùn)行，雖能實(shí)現(xiàn)調(diào)頻減速功能，但變頻器輸出端到電動(dòng)機(jī)間的輸出線嚴(yán)重發(fā)熱，電動(dòng)機(jī)外殼溫升加重，經(jīng)常出現(xiàn)保護(hù)跳閘。這是由于變頻器輸出電壓和電流信號(hào)中包含PWM高次諧波，而諧波電流在輸出導(dǎo)線和電動(dòng)機(jī)繞線上形成附加功率損耗。

解決辦法：把變頻器輸入線與輸出線分開(kāi)，分別走各自的電纜溝，選用大一號(hào)截面的電纜換原先電纜，輸出端與電動(dòng)機(jī)之間的電纜長(zhǎng)度盡可能短。這樣處理后，發(fā)熱故障排除。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的各種變頻器高次諧波干擾，基本上都能照以上介紹的方法順利抑制，但對(duì)諧波成分及幅度要求很?chē)?yán)的設(shè)備，徹底抑制高次諧波干擾非常困難，有待進(jìn)一步攻關(guān)解決。
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