淺析變頻器應(yīng)用中的諧波干擾與抑制對策
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摘要：采用變頻器驅(qū)動的電動機(jī)系統(tǒng)因其功率因素高、節(jié)能效果明顯、集自動控制、起動平穩(wěn)、調(diào)速范圍寬和維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)而得到越來越多的應(yīng)用，如變頻空調(diào)和恒壓供水變頻裝置等。在實(shí)際使用過程中，經(jīng)常會遇到變頻器諧波干擾問題，通過對變頻器結(jié)構(gòu)類型分析其諧波產(chǎn)生的原因，對電網(wǎng)和鄰近設(shè)備造成的干擾危害，提出了抑制諧波干擾的對策，并實(shí)例闡述了變頻器在安裝使用過程中抑制干擾的具體措施。
論文關(guān)鍵詞：變頻器,應(yīng)用,諧波干擾,產(chǎn)生機(jī)理,抑制
由于變頻器中普遍使用了晶閘管或整流二極管等非線性整流器件，工作過程中，會在輸入輸出回路中產(chǎn)生電流高次諧波，由于使用功率較大，其產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)將產(chǎn)生嚴(yán)重的傳導(dǎo)干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變（電壓畸變率用THDV表示，變頻器產(chǎn)生的諧波引起的THDV在10%～40%左右），干擾供電系統(tǒng)、負(fù)載和其他鄰近電氣設(shè)備，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量。由于變頻器控制的一般都是大功率的機(jī)電設(shè)備，如果變頻器的干擾問題解決不好，不但系統(tǒng)無法可靠運(yùn)行，還會影響其他電子、電氣設(shè)備的正常工作，因此有必要對變頻器應(yīng)用中的干擾問題進(jìn)行探討，以促進(jìn)進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
1.變頻器的分類
從結(jié)構(gòu)來看，變頻器可分為間接變頻和直接變頻兩類。間接變頻將工頻電流通過整流器變成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換成可控頻率的交流；直接變頻器則將工頻交流變換成可控頻率的交流，沒有中間的直流環(huán)節(jié)。目前應(yīng)用較多的還是間接變頻器，間接變頻有三種不同的結(jié)構(gòu)形式：
�。�1）用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調(diào)壓和調(diào)頻分別是在兩個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合。
�。�2）用不控整流器整流斬波器變壓、逆變器變頻，這種變頻器整流環(huán)節(jié)用斬波器，用脈寬調(diào)壓。
�。�3）用不控整流器整流，PWM逆變器同時(shí)變頻，這種變頻器只有采用可控關(guān)斷的全控式器件（如IGBT等）輸出波形才會非常逼真的正弦波。
2.變頻器諧波產(chǎn)生機(jī)理
2.1諧波的定義對周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1)稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時(shí)也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波(Non-harmonics)或分?jǐn)?shù)諧波。諧波實(shí)際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”[1]。
2.2 輸入側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理無論是哪一種的變頻器，變頻器電源側(cè)的整流回路都大量使用了晶閘管等非線性電子元件，不管采用哪種整流方式，由于晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)中吸取能量的方式均不是連續(xù)的正弦波，而是以脈動的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動電流反饋回電網(wǎng)，與系統(tǒng)阻抗形成脈動電壓，與電網(wǎng)中原有電壓疊加，使得電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變。這種非同期正弦波電流，是由頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成，其中高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。
2.3 輸出側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理在逆變輸出回路中，由于在逆變過程中利用高速半導(dǎo)體開關(guān)來產(chǎn)生一定寬度和極性的脈沖寬度調(diào)制PWM控制信號(PWM是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫)，輸出電流是受PWM控制信號調(diào)制的脈沖波形，對于GTR大功率逆變元件，其PWM的控制頻率為2～3kHz，而IGBT大功率逆變元件的PWM最高控制頻率可達(dá)15kHz。因此輸出回路電流信號可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，高次諧波電流直接對負(fù)載產(chǎn)生干擾，還產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁場通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。
3.諧波的干擾分析
3.1 變頻器產(chǎn)生的諧波的傳播途徑變頻器產(chǎn)生的諧波的傳播途徑有五種：一是沿著輸入線路向上傳導(dǎo)進(jìn)入輸入電路，繼而對同一電源上的其他用電電器產(chǎn)生干擾；二是沿著輸出線路向下傳導(dǎo)，進(jìn)入終端負(fù)載，繼而對終端負(fù)載產(chǎn)生不良影響；三是整流部分和逆變部分產(chǎn)生的高次諧波電流，通過電纜向空間輻射、干擾鄰近電氣設(shè)備；四是通過電磁感應(yīng)傳播；五是通過線路間的分布電容，傳播到鄰近的線路中去。
3.2 變頻器電磁干擾途徑變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，由于功率較大，對系統(tǒng)其他設(shè)備干擾性較強(qiáng)，其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分傳導(dǎo)、電磁輻射、感應(yīng)耦合。
電磁干擾一是對周圍的電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射。二是對直接驅(qū)動的電動機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲，使得電機(jī)鐵耗和銅耗增加，并傳導(dǎo)干擾到電源，通過配電網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)給系統(tǒng)其他設(shè)備。三是變頻器對相鄰的其他線路產(chǎn)生感應(yīng)耦合，感應(yīng)出干擾電壓或電流，對同源或鄰近的線路造成干擾[2]。
3.3 諧波對電機(jī)及驅(qū)動負(fù)載的影響一般工頻電源供電的電動機(jī)，因?yàn)槎ㄗ与妷汉碗娏鞫际菢?biāo)準(zhǔn)的正弦波，不含諧波成分，所以運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無脈動。但當(dāng)變頻器對電機(jī)供電時(shí)，如果變頻器的輸出電流含有諧波成分，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就會產(chǎn)生脈動。以六相電流型變頻器為例，其輸出電流波形中包含6k+1次(k=1，2…）的高次諧波，因而電動機(jī)就會產(chǎn)生頻率為定子電流基本頻率6k倍的脈動轉(zhuǎn)矩。對一般負(fù)載，這樣大小的脈動轉(zhuǎn)矩影響不大。但如果電機(jī)要求在低速下運(yùn)行(＜2Hz)時(shí)，有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)速不均勻，會對設(shè)備造成潛在的損傷并產(chǎn)生噪音，因此有必要事先作出轉(zhuǎn)矩分析，避免上述情況發(fā)生。
諧波對電機(jī)的影響除產(chǎn)生機(jī)械振動、噪聲和過電壓，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩降低，還會引起附加損耗，使電機(jī)溫度上升，過熱甚至燒毀。
4.抑制諧波干擾的對策
諧波的傳輸途徑是傳導(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輻射源或被干擾的線路進(jìn)行屏蔽。因此在配電系統(tǒng)中，盡管可以采用D/Y型變壓器限制部分三次諧波返回電網(wǎng)，但主要抑制諧波的方法是采用濾波器。
4.1 諧波綜合治理采取的技術(shù)措施諧波綜合治理采取的措施，一是抑制諧波電流的發(fā)生與注入。二是改善裝置的功率因素與無功功率補(bǔ)償，三是合理選擇濾波裝置的最佳安裝位置。四是消除電磁干擾和電磁兼容性；五是多種補(bǔ)償功能一體化處理[3]。
4.2 抑制變頻器干擾的具體方法一是變頻系統(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；二是在變頻器輸入側(cè)與輸出側(cè)串接合適的電抗器，或安裝諧波濾波器，濾波器的組成必須是LC型，吸收諧波和增大電源或負(fù)載的阻抗，達(dá)到抑制諧波的目的；三是電動機(jī)和變頻器之間電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鈣裝電纜，形成輻射屏蔽層，可以衰減大部分諧波輻射，另外與其他弱電信號在不同的電纜溝分別敷設(shè)，避免輻射干擾；四是信號控制線采用屏蔽線，且布線時(shí)與變頻器主回路控制線錯開一定距離(至少30cm以上)，切斷輻射干擾；五是變頻器的接地端E應(yīng)與大地良好的連接,當(dāng)變頻器和其他設(shè)備或多臺變頻器一起接地時(shí),每臺設(shè)備應(yīng)單獨(dú)與地連接,而不允許將一臺設(shè)備的接地端和另一臺的接地端連接后再接地,以減少空間的輻射和設(shè)備之間的相互干擾,使設(shè)備正常運(yùn)行。六是多臺變頻器同時(shí)工作時(shí)，盡可能的要將變頻器安裝在不同的控制柜內(nèi)，變頻器的控制線要遠(yuǎn)離其他變頻器的主電路。防止與其他變頻器的主電路平行布線[4]。
5.抑制策略實(shí)例
在實(shí)際使用過程中，經(jīng)常會遇到變頻器諧波干擾問題，下面就如何抑制變頻器間產(chǎn)生的輻射干擾和機(jī)泵間產(chǎn)生的高次諧波干擾進(jìn)行探討。
5.1變頻器間產(chǎn)生的輻射干擾某醫(yī)院新建門診大樓的中央空調(diào)由2臺變頻器組成的變頻控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)圖的2臺變頻器安裝在同一控制柜體內(nèi)，變頻器調(diào)頻方式均為電位器手調(diào)方式，在安裝調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)運(yùn)行某1臺變頻器時(shí)，工作正常，但當(dāng)2臺同時(shí)運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)頻率互相干擾現(xiàn)象，即調(diào)節(jié)一臺變頻器的電位器對另一臺變頻器的頻率有影響，反過來也是一樣。通過初步分析，可能是電位器及控制線路故障，但在排除這種可能后，斷定是諧波干擾引起的。針對這種情況，把其中一臺變頻器移出控制柜遠(yuǎn)離到其他位置固定，且將控制線改用具有屏蔽信號的電纜線，調(diào)試結(jié)果干擾明顯減弱。為了徹底抑制干擾，重新制作1個(gè)電控柜，并與原柜體保持一定的位置放置，把其中1臺變頻器移到該電控柜，相應(yīng)的接線及控制線作必要的改動，經(jīng)過處理后干擾基本消除，故障排除。
5.2 機(jī)泵產(chǎn)生的高次諧波干擾某給水所升級改造采用變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，切換2套大型機(jī)泵，原先機(jī)泵是靠自耦降壓啟動工頻運(yùn)行正常，后改為變頻方式運(yùn)行，使用過程中發(fā)現(xiàn)雖能實(shí)現(xiàn)調(diào)頻減速功能，但變頻器輸出端到電動機(jī)間的輸出線出現(xiàn)發(fā)熱，電動機(jī)外殼溫升加劇現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)保護(hù)跳閘。經(jīng)分析認(rèn)為可能是由于變頻器輸出電壓和電流信號中包含PWM高次諧波，而諧波電流在輸出導(dǎo)線和電動機(jī)繞線上形成附加功率損耗。于是把變頻器的輸入線與輸出線分開足夠的距離，將輸入和輸出線分別安裝在不同的電纜溝內(nèi)，并選用截面比原有電纜大一級的電纜替換，此外輸出端至電動機(jī)之間的電纜長度盡可能短，以減少干擾，經(jīng)過這樣處理后，發(fā)熱故障排除。
6.結(jié)束語
變頻器在使用過程中，為了防止諧波干擾，除了上述方法外，還應(yīng)在設(shè)計(jì)階段就注意變頻器的安裝場所、安裝位置、輸入輸出線路的隔離方式等問題，在設(shè)備排列布置時(shí)，應(yīng)該注意將變頻器單獨(dú)布置，盡量減少可能產(chǎn)生的電磁輻射干擾。在實(shí)際工程中，由于受到房屋面積的限制往往不可能有單獨(dú)布置的位置，應(yīng)盡量將容易受干擾的弱電控制設(shè)備與變頻器分開，比如將動力配電柜放在變頻器與控制設(shè)備之間。施工中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖要求和有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，以保證系統(tǒng)能在特定環(huán)境中可靠運(yùn)行。對諧波成分及幅度要求很嚴(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。
參考文獻(xiàn)
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