變頻器的諧波干擾及對策論文

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變頻器的諧波干擾及對策論文

　　摘要：通過對變頻器諧波干擾的產(chǎn)生、危害以及應(yīng)對方法的分析，了解在使用變頻器時我們應(yīng)注意的問題，從而提高變頻器的效能。

變頻器的諧波干擾及對策論文

　　關(guān)鍵詞：變頻器;諧波干擾;測量;措施

　　一、諧波的產(chǎn)生

　　一般電壓在300～500V的低壓變頻器，其主電路都采用交.直一交電壓型的，輸入為不可控的整流電路，輸出用IGBTPWM逆變電路。所以輸入電壓是正弦的，輸入電流是非正弦的。輸出電壓是非正弦的，輸出電流近似正弦(SPWM調(diào)制)。

　　總之，不論輸入、輸出都存在非正弦，要產(chǎn)生諧波，尤其是輸出，影響較大。當(dāng)變頻器容量不大于10%電源變壓器容量時，影響不大，當(dāng)容量超過該值時，按具體情況，可能引起不良后果，就有必要采取一定的防止措施。

　　根據(jù)諧波分析，上述電路不含3次及3的倍數(shù)次諧波分量，在三相對稱系統(tǒng)中，3的整數(shù)倍諧波可自行消除，不必考慮。同時，上述電路無偶次諧波。

　　一般變頻器的出廠的諧波值THD%是控制在3%～5%以內(nèi)。

　　(一)使電源電壓畸變，電壓品質(zhì)下降，造成線損增大。

　　(二)使電動機(jī)發(fā)熱增大(電流諧波增加銅損，電壓諧波增加鐵損)，效率下降，功率因數(shù)減小。

　　(三)使電動機(jī)振動增大，轉(zhuǎn)速產(chǎn)生抖動，不穩(wěn)定。

　　(四)使電動機(jī)噪聲增大。

　　(五)諧波與電線電容諧振產(chǎn)生過電壓，危害絕緣，耐壓降低，以致造成過電壓擊穿。

　　(六)對電容器產(chǎn)生過熱，增加損耗，以致產(chǎn)生電擊穿或熱擊穿。

　　(七)使電路三相輸入電流不平衡度加大。

　　(八)干擾計算機(jī)系統(tǒng)正常工作，對電子線路設(shè)備造成不穩(wěn)定工作狀態(tài)，嚴(yán)重時以致無法正常工作，或設(shè)置參數(shù)波動較大，影響正常使用。

　　二、諧波的對策

　　(一)從設(shè)計制造角度選用IGBT功率器件，空間電壓矢量控制，多

　　相疊加，如六相、十二相，多重化移相，調(diào)制過程中選擇合理參數(shù)值等。

　　(二)從使用安裝角度采用進(jìn)線AC電抗器、出線DC電抗器，輸出正弦濾波器，不共用地線，分開供電電源(變頻器i受干擾電氣設(shè)備)，開關(guān)電源供計算機(jī)或電子儀器儀表，用隔離變壓器供電，出線和進(jìn)線分開一定距離電動機(jī)外殼接地，變頻器單獨接地，采用絕緣性電源變壓器，縮短線路長度，信號線不接地而連接于信號公用線等。必要時還可使用零序電抗器、浪涌吸收器、浪涌抑制器、輸入抑制電抗器，以及用絞合線布線等。也可人為減低變頻器的載波頻率(1～15HZ)消除干擾影響，一般頻率低干擾下降，但燥聲可能要大些，電流波形平滑性要差一些，具體值可現(xiàn)場調(diào)試而定。必要時選用專用的變頻電動機(jī)。

　　三、諧波的標(biāo)準(zhǔn)及限值

　　中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB12668-1990《變頻器標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品實驗要求》的具體規(guī)定如下：

　　電壓畸變≤10%，奇次≤5%，偶次≤2%，短時≤10%0 ‘按實際運(yùn)行經(jīng)驗，諧波在下列范圍內(nèi)，一般可以正常使用：對電動機(jī)：諧波值在10%～20%電子開關(guān)，但當(dāng)>20%時就要誤動作;對儀表;電壓畸變<10%，電流畸變<10%，這時誤差<1%的;對計算機(jī)：超過5%要產(chǎn)生干擾。

　　四、高壓變頻器的諧波問題

　　高壓變頻器一般是指電壓級為3KV、6KV、10KV，功率為300～10000KW的交頻器，因其電壓高、頻率大，諧波問題更應(yīng)該引起重視，一旦有干擾，影響更大，危害更嚴(yán)重。目前，高壓變頻器產(chǎn)品的主要參數(shù)都已達(dá)標(biāo)或超標(biāo)，具體勢值如下：

　　(一)采用30脈沖變頻，可不加任何諧波濾波器就能滿足供電部門對電壓和電流失真最嚴(yán)格的要求。

　　(二)采用多重化的脈寬調(diào)制技術(shù)，因而輸出波形為非常完美的正弦波。

　　(三)功率因數(shù)≥0.95。

　　(四)效率：變頻器為98%。系統(tǒng)為96.5%。

　　(五)噪聲：<75dB。

　　(六)頻率精度：<0.5%。

　　(七)轉(zhuǎn)矩脈動：0.1%(0～500HZ)。

　　(八)完美無諧波，總電流失真為0.8%，總電壓失真為1.2%。

　　五、變頻器的諧波特性、抑制方法及測量

　　(一)變頻器的諧波

　　低壓變頻器的主電路大都選用交，直.交電壓源型的。其輸入部分：電壓波形是正弦的，但電流波形是非正弦的，因有非線性二極管組成三相橋式整流電路，電容濾波及二極管的參數(shù)離散所引起的。

　　其輸出部分：電壓是按正弦脈寬調(diào)制規(guī)律，且幅值相等寬度不等距形波，其等效后是連續(xù)的矩形波，而三相的相電壓是階梯波，因此是非線性的，電流是近似正弦波，但載波頻率值越高，越接近正弦波。

　　總之，變頻器輸入電流是非正弦的，輸出電壓是非正弦的，既然有非正弦存在，就存在諧波電流與諧波電壓。隨著變頻器在各行各業(yè)的應(yīng)用面擴(kuò)大及單機(jī)容量的加大和使用變頻器的總?cè)萘康脑龃螅C波污染電源及對周圍其他使用設(shè)備的影響就日益嚴(yán)重，甚至因使用變頻器后造成其他精密設(shè)備、電子儀器儀表、計算機(jī)等不能正常的工作，因此，要由變頻器本身的諧波控制標(biāo)準(zhǔn)及抑制和減少諧波造成干擾兩個方面來著手解決問題，才是有效途徑。

　　(二)變頻器諧波的特性

　　眾所周知，不論是變頻器的輸入端還是輸出端都是三相，對稱的電壓或電流波形只有5、7、11、13、17--次諧波及其基波存在。在較低頻率運(yùn)行時諧波造成的電動機(jī)發(fā)熱、無功損耗增大、功率因數(shù)減小的影響更大些輸出頻率高，比輸出頻率低的諧波造成的影響要小。

　　一般配電系統(tǒng)變壓器的容量遠(yuǎn)大于變頻器的容量(如10倍以上)，諧波的影響就小，如10倍以下建議加進(jìn)線交流電抗器。但當(dāng)單臺變頻器容量為300～500KW時，可考慮使用單獨供電變壓器，更經(jīng)濟(jì)適用或多臺變頻器總?cè)萘枯^大時，也可考慮用單獨供電變壓器。

　　總之，輸入側(cè)因電流的非正弦所引起的諧波，會使電網(wǎng)電壓畸變，從而造成對其它用電設(shè)備的影響，，所以對每臺變頻器有諧波電流合成總量THD%占基波值的百分比要求一般為3%～5%，即在此范圍內(nèi)電壓畸變是允許的。

　　輸出側(cè)因電壓的非正弦所引起的諧波，對電動機(jī)的運(yùn)行是不利的，原因是諧波電壓易產(chǎn)生電動機(jī)端電壓過高，當(dāng)線路過長大于100米時易發(fā)生尖脈沖過電壓，尤其對舊電動機(jī)絕緣有威脅，甚至擊穿，并易發(fā)生電動機(jī)過熱，所以對變頻器的諧波電壓合成總量THD%也有要求，一般為5%～7%，并建議盡可能提高載波頻率值，使輸出電流盡可能正弦化，對電動機(jī)減小噪聲振動也有好處。

　　下面談?wù)劷涣麟娍蛊髋c直流電抗器對諧波的抑制作用。交流電抗器串接與三相的輸入電路中，它的濾波效果不是很好，用后能將功率因數(shù)提高到0.75～0.85，其主要作用如下：

　　1、當(dāng)電壓為380V，變頻器容量在500KVA以上，或大于變頻器容量的十倍時，配電變壓器容量及變頻器容量與選用電抗器之間會有一定的匹配關(guān)系。

　　2、電源輸出電壓三相不平衡不大于3%。

　　3、當(dāng)配電變壓器有功率因數(shù)補(bǔ)償電容時，或有晶閘管(SCR)整流裝置時電抗值的大小與各次諧波電流之間存在一定關(guān)系，分析表明，交流電抗器對抑制5～19次諧波效果很顯著，一般選用時使電抗器上的電壓降大于額定電壓的3%為宜。當(dāng)然也可串接于變頻器的輸出電路中，它的作用主要是抑制變頻器的發(fā)射干擾和感應(yīng)干擾，抑制電動機(jī)的電壓波動效應(yīng)，其裝置方式為：額定功率不大于18.5KW的變頻器，一般內(nèi)置;額定功率不小于22KW的變頻器，一般外置，也有需要另外配置的。

　　(三)變頻器的諧波測量

　　對新購買的變頻器及在使用中的變頻器，往往要作各次濾波電流或電壓的測量，以改變?nèi)藗冎蛔鞫ㄐ苑治鲋C波的狀況，從而走向定量分析諧波的過程，并能進(jìn)一步控制變頻器本身的諧波質(zhì)量指標(biāo)，以及在使用變頻器過程中，對電網(wǎng)的影響及對其他設(shè)備的影響。通過定量分析，可進(jìn)一步提出合理、有效措施，發(fā)揮變頻器更有效的功能，是件非常重要的事。如果我們利用儀器儀表得知諧波的頻率、相對量值等數(shù)字量，再對測量參數(shù)進(jìn)行綜合判斷，就能很快決定變頻器有關(guān)諧波實際量值與標(biāo)準(zhǔn)對比。

　　六、高壓變頻器的諧波

　　高壓變頻器是指二次輸出是交流l、3、6、10KV電壓等級，功率為500～10000KW的變頻器，其顯著特點是電壓高、功率大。按使用的重要性、發(fā)生故障時的后果嚴(yán)重性、產(chǎn)生較大經(jīng)濟(jì)損失等原因，對高壓變頻器有較為嚴(yán)格的技術(shù)要求。應(yīng)考慮使用的可靠性、冗余度大小、載波頻率大小、對電網(wǎng)的污染程度、輸入的功率因數(shù)、、共模電壓值、系統(tǒng)的效率高低、能否四象限運(yùn)行、主電路是電壓源型還是電流源型等，都應(yīng)該考慮。高壓變頻器由于工作電壓高、功率大，使用載波頻率低，一次高壓直接接在電網(wǎng)上，因此造成諧波分量值較大，同時對電網(wǎng)的影響，以及對共模電壓的影響等原因，對電動機(jī)的影響更為嚴(yán)重，所以，高壓變頻器諧波分量大小，是衡量經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要指標(biāo)之一。

　　諧波形成的原因，是因為存在非正弦的一次電壓、一次電流、二次電壓、及二次電流。其頻譜是基波，諧波是5、7、11、13、17、19、23--次，不存在偶次及3的整數(shù)倍次諧波，但主電路結(jié)構(gòu)不同，諧波的次數(shù)也是不同的。

　　七、抑制變頻器電磁干擾的有效方法

　　在使用變頻器過程中，常碰到變頻器諧波所產(chǎn)生的電磁干擾問題，這種干擾只要采取一定的有效措施，是可以抑制的。

　　八、變頻器電磁千擾的產(chǎn)生

　　如前所述，應(yīng)用變頻器輸入、輸出都會產(chǎn)生諧波，尤其是對輸出干擾影響較大。變頻器產(chǎn)生的電磁干擾能量主要是經(jīng)電動機(jī)電纜線、電源線、接地線的傳導(dǎo)向外傳播的。當(dāng)變頻器容量大于等于電源變壓器容量的10%，且輸出線路長度大于100米及附近有較高敏感度的電子器件、儀表等設(shè)備，而電動機(jī)的功率為幾十到幾百千瓦時，電磁干擾問題就不能忽視了，必須采取一定的有效抑制方法。

　　易受電磁干擾影響的電氣設(shè)備主要有：

　　(一)弱信號模擬測量電路，如熱敏電阻等;

　　(二)頻帶較寬的模擬信號電路，如音頻電路等;

　　(三)視頻電路，如閉路電視等;

　　(四)數(shù)據(jù)傳輸線未加屏蔽或布線不適當(dāng)時;

　　(五)無線電通訊設(shè)備。

　　變頻器在使用過程中除了諧波所產(chǎn)生的電磁干擾外，還有射頻干擾的問題。我們知道變頻器的整流電路和逆變電路都是由非線性器件構(gòu)成的。因此，變頻器運(yùn)行時，由于變頻器運(yùn)行在高頻開關(guān)狀態(tài)，會引起電網(wǎng)電壓、電流波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生高次諧波。相反，電網(wǎng)電壓、電流的波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生的高次諧波會增加變頻器輸入側(cè)的無功功率，從而降低功率因數(shù)(主要是頻率較低的高次諧波)，另外還會對其他設(shè)備形成電磁干擾和射頻干擾。電磁干擾會通過電路傳導(dǎo)和電磁感應(yīng)傳播，射頻干擾會通過空中輻射傳播。

　　變頻器的抗干擾措施有以下方法：

　　l、一般措旋

　　(1)信號線。信號線不能與未屏蔽的電動機(jī)電纜或未經(jīng)濾波的電源線平行。

　　(2)接地。變頻器和電動機(jī)一定要可靠接地。

　　(3)電源濾波器。在變頻器的輸入側(cè)與輸出側(cè)設(shè)置噪聲濾波器(輸入電抗器和輸出電抗器)。

　　2、強(qiáng)化措施

　　(1)降低載波頻率。電磁干擾強(qiáng)度與逆變電路的載波頻率成正比。原則是載頻高，干擾大，但電流波形好，噪聲小，可適當(dāng)選取，兩者兼顧就可。

　　(2)屏蔽電動機(jī)電纜。注意屏蔽層應(yīng)分別接變頻器和電動機(jī)的接地端且兩端都應(yīng)接地。當(dāng)易受干擾的電路或裝置遠(yuǎn)離，要保持一定間距。

　　(3)對電磁干擾非常敏感裝置的措施。L般情況下，在距離變頻器10米處能無干擾。

　　九、共模及差模干擾

　　共模干擾是指三相中任一相對大地或中性線對大地之間干擾。其具有同方向性，產(chǎn)生于同一條電源線，衰減小，影響大。共模干擾的危害在于：

　　(一)產(chǎn)生高頻漏電流;