變頻器的諧波干擾與抑制

0 引言

由于電力電子器件的非線性，變頻器在通過電力電子器件進行AC-DC-AC 的變換過程中，將在變頻器的輸入輸出回路中產(chǎn)生高次諧波電流，干擾供電系統(tǒng)、負載及其他鄰近電氣設(shè)備。在實際使用過程中，經(jīng)常遇到變頻器諧波干擾問題，下面簡單介紹諧波產(chǎn)生的機理、傳播途徑及有效抑制干擾的方法。

1 變頻器諧波產(chǎn)生機理

變頻器的主電路一般為交- 直- 交變換電路，外部輸入380 V/50 Hz 的工頻電源通過三相橋式不可控整流電路整流成直流電壓，經(jīng)濾波電容濾波后再經(jīng)大功率晶體管開關(guān)器件逆變?yōu)轭l率與電壓可調(diào)的交流電壓。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，按傅里葉級數(shù)可分解為基波和各次諧波，其中的諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。在逆變輸出回路中，輸出電流信號是受PWM載波信號調(diào)制的脈沖波形，對于GTR大功率逆變器件，其PWM 的載波頻率為2～3 kHz，而IGBT 大功率逆變器件的PWM 最高載頻可達15 kHz。同樣，輸出回路電流信號也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，而高次諧波電流對負載直接干擾。另外高次諧波電流還通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。

2 抑制諧波干擾常用的方法

諧波的傳播途徑是傳導和輻射，解決傳導干擾主要是對通過電路傳導的高頻電流進行濾波或者隔離;解決輻射干擾就是對輻射源或被干擾的線路進行屏蔽。具體常用方法有：

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)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載的阻抗，達到抑制諧波的目的;

3)電動機和變頻器之間的電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜，并與其他弱電信號在不同的電纜溝分別敷設(shè)，避免輻射干擾;

4)信號線采用屏蔽線，且布線時與變頻器主回路控制線錯開一定距離(至少20 cm 以上)，切斷輻射干擾;

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

3 抑制諧波干擾實例

例1 某變頻切換控制系統(tǒng)，變頻器啟動運行正常，而鄰近液位計讀數(shù)偏高，一次表輸入4 mA時，液位計顯示不是下限值;液位未到設(shè)定上限值時，液位計卻顯示上限，致使變頻器接收停機指令，迫使變頻器停止運行。這顯然是變頻器的高次諧波在干擾液位計，干擾傳播途徑是液位計的電源回路或信號線。

解決辦法將液位計的供電電源取自另一供電變壓器，減弱諧波干擾，再將信號線穿入鋼管敷設(shè)，并與變頻器主回路線隔開一定距離，經(jīng)這樣處理后，諧波干擾基本被抑制，液位計工作恢復正常。

例2 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，而液位計顯示不準且不穩(wěn)，起初我們懷凝一次表、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)分析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，從而引起干擾。

解決辦法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，故障排除。

例3 某變頻控制系統(tǒng)，由兩臺變頻器組成，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，運行某一臺變頻器時，工作正常，兩臺同時運行時，頻率互相干擾，即調(diào)節(jié)一臺變頻器的電位器時對另一臺變頻器的頻率有影響，反過來也一樣。開始我們認為是電位器及控制線故障，排除這種可能后，斷定故障是諧波干擾引起的。

解決辦法把其中一只電位器移到其他柜體固定，且引線用屏蔽信號線，結(jié)果干擾減弱。為了徹底抑制干擾，重新加工一個電控柜，并與原柜體保持一定距離放置，把其中的一臺變頻器移到該電控柜，相應(yīng)的接線及引線作必要的改動，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)，切換兩套機泵，原機泵是靠自耦降壓啟動，工頻運行正常，現(xiàn)改為變頻運行，雖能實現(xiàn)調(diào)頻減速功能，但變頻器輸出端到電動機間的輸出線嚴重發(fā)熱，電動機外殼溫升過高，經(jīng)常出現(xiàn)保護跳閘。這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線和電動機繞線上形成附加功率損耗所造成的。

解決辦法把變頻器輸入線與輸出線分開，分別走各自的電纜溝，選用大一號截面的電纜更換原電纜，輸出端與電動機之間的電纜長度盡可能短。這樣處理后，發(fā)熱故障排除。

4 結(jié)語

對現(xiàn)場出現(xiàn)的各種變頻器高次諧波干擾，基本上都能按以上介紹的方法順利抑制，但對諧波成分及幅度要求很嚴的設(shè)備，徹底抑制高次諧波干擾非常困難，有待進一步攻關(guān)解決。