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生、危害以及應對方法的分析，了解在使用變頻器時我們應注意的問題，從而提高變頻器的效能。

變頻器的諧波干擾及對策論文

　　關鍵詞：變頻器;諧波干擾;測量;措施

　　一、諧波的產生

　　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調制)。

　　總之，不論輸入、輸出都存在非正弦，要產生諧波，尤其是輸出，影響較大。當變頻器容量不大于10%電源變壓器容量時，影響不大，當容量超過該值時，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。

　　根據諧波分析，上述電路不含3次及3的倍數次諧波分量，在三相對稱系統中，3的整數倍諧波可自行消除，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。

　　(一)使電源電壓畸變，電壓品質下降，造成線損增大。

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

　　(三)使電動機振動增大，轉速產生抖動，不穩定。

　　(四)使電動機噪聲增大。

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

　　(六)對電容器產生過熱，增加損耗，以致產生電擊穿或熱擊穿。

　　(七)使電路三相輸入電流不平衡度加大。

　　(八)干擾計算機系統正常工作，對電子線路設備造成不穩定工作狀態，嚴重時以致無法正常工作，或設置參數波動較大，影響正常使用。

　　二、諧波的對策

　　(一)從設計制造角度選用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，調制過程中選擇合理參數值等。

　　(二)從使用安裝角度采用進線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受干擾電氣設備)，開關電源供計算機或電子儀器儀表，用隔離變壓器供電，出線和進線分開一定距離電動機外殼接地，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，具體值可現場調試而定。必要時選用專用的變頻電動機。

　　三、諧波的標準及限值

　　中國國家標準GB12668-1990《變頻器標準及產品實驗要求》的具體規定如下：

　　電壓畸變≤10%，奇次≤5%，偶次≤2%，短時≤10%0 ‘按實際運行經驗，諧波在下列范圍內，一般可以正常使用：對電動機：諧波值在10%～20%電子開關，但當>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：超過5%要產生干擾。

　　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，諧波問題更應該引起重視，一旦有干擾，影響更大，危害更嚴重。目前，高壓變頻器產品的主要參數都已達標或超標，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格的要求。

　　(二)采用多重化的脈寬調制技術，因而輸出波形為非常完美的正弦波。

　　(三)功率因數≥0.95。

　　(四)效率：變頻器為98%。系統為96.5%。

　　(五)噪聲：<75dB。

　　(六)頻率精度：<0.5%。

　　(七)轉矩脈動：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離散所引起的。

　　其輸出部分：電壓是按正弦脈寬調制規律，且幅值相等寬度不等距形波，其等效后是連續的矩形波，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的應用面擴大及單機容量的加大和使用變頻器的總容量的增大，諧波污染電源及對周圍其他使用設備的影響就日益嚴重，甚至因使用變頻器后造成其他精密設備、電子儀器儀表、計算機等不能正常的工作，因此，要由變頻器本身的諧波控制標準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。在較低頻率運行時諧波造成的電動機發熱、無功損耗增大、功率因數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。

　　一般配電系統變壓器的容量遠大于變頻器的容量(如10倍以上)，諧波的影響就小，如10倍以下建議加進線交流電抗器。但當單臺變頻器容量為300～500KW時，可考慮使用單獨供電變壓器，更經濟適用或多臺變頻器總容量較大時，也可考慮用單獨供電變壓器。

　　總之，輸入側因電流的非正弦所引起的諧波，會使電網電壓畸變，從而造成對其它用電設備的影響，，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%，即在此范圍內電壓畸變是允許的。

　　輸出側因電壓的非正弦所引起的諧波，對電動機的運行是不利的，原因是諧波電壓易產生電動機端電壓過高，當線路過長大于100米時易發生尖脈沖過電壓，尤其對舊電動機絕緣有威脅，甚至擊穿，并易發生電動機過熱，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，對電動機減小噪聲振動也有好處。

　　下面談談交流電抗器與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，用后能將功率因數提高到0.75～0.85，其主要作用如下：

　　1、當電壓為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系。

　　2、電源輸出電壓三相不平衡不大于3%。

　　3、當配電變壓器有功率因數補償電容時，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射干擾和感應干擾，抑制電動機的電壓波動效應，其裝置方式為：額定功率不大于18.5KW的變頻器，一般內置;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，以改變人們只作定性分析諧波的狀況，從而走向定量分析諧波的過程，并能進一步控制變頻器本身的諧波質量指標，以及在使用變頻器過程中，對電網的影響及對其他設備的影響。通過定量分析，可進一步提出合理、有效措施，發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、相對量值等數字量，再對測量參數進行綜合判斷，就能很快決定變頻器有關諧波實際量值與標準對比。

　　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、發生故障時的后果嚴重性、產生較大經濟損失等原因，對高壓變頻器有較為嚴格的技術要求。應考慮使用的可靠性、冗余度大小、載波頻率大小、對電網的污染程度、輸入的功率因數、、共模電壓值、系統的效率高低、能否四象限運行、主電路是電壓源型還是電流源型等，都應該考慮。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上，因此造成諧波分量值較大，同時對電網的影響，以及對共模電壓的影響等原因，對電動機的影響更為嚴重，所以，高壓變頻器諧波分量大小，是衡量經濟運行的重要指標之一。

　　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的整數倍次諧波，但主電路結構不同，諧波的次數也是不同的。

　　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生

　　如前所述，應用變頻器輸入、輸出都會產生諧波，尤其是對輸出干擾影響較大。變頻器產生的電磁干擾能量主要是經電動機電纜線、電源線、接地線的傳導向外傳播的。當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、儀表等設備，而電動機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)數據傳輸線未加屏蔽或布線不適當時;

　　(五)無線電通訊設備。

　　變頻器在使用過程中除了諧波所產生的電磁干擾外，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成的。因此，變頻器運行時，由于變頻器運行在高頻開關狀態，會引起電網電壓、電流波形發生畸變，產生高次諧波。相反，電網電壓、電流的波形發生畸變，產生的高次諧波會增加變頻器輸入側的無功功率，從而降低功率因數(主要是頻率較低的高次諧波)，另外還會對其他設備形成電磁干擾和射頻干擾。電磁干擾會通過電路傳導和電磁感應傳播，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電纜或未經濾波的電源線平行。

　　(2)接地。變頻器和電動機一定要可靠接地。

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

　　2、強化措施

　　(1)降低載波頻率。電磁干擾強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，可適當選取，兩者兼顧就可。

　　(2)屏蔽電動機電纜。注意屏蔽層應分別接變頻器和電動機的接地端且兩端都應接地。當易受干擾的電路或裝置遠離，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)產生高頻漏電流;