變頻器諧波干擾的形成及對策

1 變頻器的應(yīng)用

　　變頻器是利用電力電子半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能的控制裝置。利用變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)電流小，可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和大范圍的無級調(diào)速，方便地對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使得電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行符合實(shí)際工況需求，節(jié)能效果顯著，因而變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。變頻器屬于電力電子裝置，構(gòu)成它的電子元器件、計(jì)算機(jī)芯片、數(shù)字電路等均易受外界的電磁干擾（EMI），因此，變頻器投入電網(wǎng)后，應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)（即電磁兼容性EMC）也已經(jīng)變得越來越重要。

2 電磁兼容

　　電磁兼容EMC（Electro Magnetic Compatibility）是指電氣設(shè)備或系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中可靠的發(fā)揮其功能，并對該環(huán)境中的其他設(shè)備或系統(tǒng)不產(chǎn)生不允許的干擾的能力。簡單說，也就是變頻器投入運(yùn)行之后，既要防止外界干擾它，也要防止它干擾外界。

3 外界對變頻器產(chǎn)生的干擾

　　在交流電網(wǎng)中，由于許多非線性負(fù)載的電氣設(shè)備的投入運(yùn)行，其電壓、電流波形實(shí)際上已經(jīng)是在不同程度有所畸變的非正弦波。畸變的非正弦波通常是周期性電氣分量，依據(jù)傅里葉級數(shù)分析，可分解成基波分量和基波量整數(shù)倍的諧波分量。而變頻器的整流器一般采用三相橋式晶閘管整流電路，當(dāng)變頻器接入已經(jīng)發(fā)生畸變的交流電網(wǎng)，只要電源側(cè)有非線性引起的諧波，輸出側(cè)通常就含有高次諧波干擾電網(wǎng)。

4 變頻器對外界產(chǎn)生的干擾

　　變頻器的整流橋和晶閘管逆變電路對于電網(wǎng)來講就是非線性負(fù)載，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，這樣，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的信號，這些諧波除了能構(gòu)成電源無功損耗的較低次諧波外，還有許多頻率很高的諧波成分。

　　它們以各種方式將自己的能量傳播出去，形成對變頻器本身以及電力系統(tǒng)中的其他設(shè)備的干擾信號。

5 高次諧波干擾的危害

　　諧波電流和諧波電壓的產(chǎn)生，對公用電網(wǎng)是一種污染，它使得系統(tǒng)內(nèi)用電設(shè)備的使用條件惡化，對其工作性能和壽命產(chǎn)生不利影響；對系統(tǒng)內(nèi)通信系統(tǒng)及電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，容易干擾通信線路并導(dǎo)致電子設(shè)備發(fā)生故障。
諧波對電力設(shè)備或電力系統(tǒng)的危害主要表現(xiàn)在：

　　1）變壓器電流諧波將增加銅損，諧波電壓將增加鐵損，其綜合結(jié)果就是使得變壓器的溫度上升。諧波還可能引起變壓器繞組及線間電容之間的共振，從而產(chǎn)生噪聲污染。

　　2）變頻器當(dāng)變頻器輸入電壓發(fā)生畸變，輸入電流峰值增大，就使得變頻器整流二極管及電解電容負(fù)擔(dān)加重，容易產(chǎn)生過電壓或者過電流，導(dǎo)致變頻器的運(yùn)行不正常。由于變頻器屬于電力電子裝置，很容易感受諧波失真而誤動(dòng)作，從而影響變頻器的工作性能和使用壽命。

　　3）電動(dòng)機(jī)電機(jī)繞組存在雜散電容，諧波主要引起電動(dòng)機(jī)的附加發(fā)熱，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的額外溫升，使得電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率下降。諧波的產(chǎn)生還會(huì)引起繞組不均勻處過熱導(dǎo)致的絕緣層損壞、電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈沖及噪聲的增加。

　　4）供電線路高頻諧波電流使線路阻抗隨著頻率的增加而提高，對供電線路產(chǎn)生了附加諧波損耗，造成電能的浪費(fèi)，并且導(dǎo)體對高頻諧波電流的集膚效應(yīng)使線路的等效阻抗增加，導(dǎo)致線路壓降增大，輸出電纜的截面要相應(yīng)增大。

　　5）電力電容器工頻狀態(tài)下，電力系統(tǒng)裝設(shè)的電容器比系統(tǒng)中的感抗要大得多。但在諧波頻率較高時(shí)，感抗值成倍增加而容抗值大幅減少，這就可能出現(xiàn)諧振，諧振造成異常電流進(jìn)入電容器，導(dǎo)致電容器過熱，絕緣破壞直至燒毀。

　　此外，諧波可能導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備、保護(hù)電器的誤動(dòng)作，影響計(jì)量儀表測量精度。

6 變頻器抗干擾的對策

　　一般來說，形成電磁干擾（EMI）必須具備三個(gè)要素：電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統(tǒng)。

　　6.1 干擾途徑

　　變頻器產(chǎn)生的諧波功率較大，高次諧波的含量豐富，是典型的具有較強(qiáng)干擾性的電磁干擾源。電網(wǎng)中的電力變壓器、變頻器、電力電容器、電力電子設(shè)備、開關(guān)、保護(hù)電器、照明設(shè)備等都是對電磁干擾比較敏感的設(shè)備。由于變頻器能產(chǎn)生較大功率的諧波，其干擾途徑與一般電磁干擾的途徑一致，主要分以下幾種方式。

　　1）電路耦合（傳導(dǎo)）方式即通過電網(wǎng)傳播。由于輸入電流為非正弦波，當(dāng)變頻器的容量足夠大時(shí)，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生一定的畸變，影響其他設(shè)備正常工作，同時(shí)，輸出端產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾使直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)的損耗大幅增加，影響電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性。這也是變頻器輸入電流干擾信號的主要傳播方式。

　　2）感應(yīng)耦合方式當(dāng)變頻器的輸入電路或輸出電路與其他設(shè)備靠近時(shí)，變頻器的高次諧波信號可能通過感應(yīng)的方式耦合到其他設(shè)備中去，造成一定的諧波干擾。電流和電壓干擾信號分別通過電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)的方式耦合。

　　3）輻射方式主要以電磁波方式向外輻射，對其他設(shè)備造成干擾。這是功率較大且頻率很高的諧波分量的主要傳播方式。

　　6.2 抗干擾措施

　　為了防止干擾，總的原則是抑制和消除干擾源，切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道，降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性。在實(shí)際工程中，采取的措施主要有兩大類，一是在電網(wǎng)系統(tǒng)中采用適當(dāng)?shù)拇胧┮种苹蛳C波，二是對變頻裝置本身進(jìn)行改造，使其盡量少產(chǎn)生諧波。

　　6.2.1 在電網(wǎng)系統(tǒng)中采用的措施

　　在電網(wǎng)系統(tǒng)中采用適當(dāng)?shù)拇胧┮种苹蛳C波的方式主要有以下幾種。

　　1）干擾隔離是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，實(shí)際工程中，通常在電源和變頻器之間是加裝隔離變壓器以避免傳導(dǎo)干擾。隔離變壓器一般采用Dyn接線組別的三相變壓器，負(fù)荷側(cè)的諧波電流在變壓器的“角形”繞組中循環(huán)，不至流入電網(wǎng)。

　　2）屏蔽接地電氣裝置為了防止其內(nèi)、外部的電磁感應(yīng)或靜電感應(yīng)的干擾而對屏蔽體進(jìn)行接地，稱為屏蔽接地。按照功能劃分，一般有以下幾種：

　?。?）靜電屏蔽的接地目的是為了把金屬屏蔽體上的感應(yīng)靜電干擾信號直接導(dǎo)入地中，同時(shí)減少分布電容的寄生耦合，保證人身安全。接地是消除導(dǎo)體上靜電的一種有效辦法，簡單可靠，費(fèi)用低。

　?。?）電磁屏蔽的接地目的是為了減少電磁干擾和靜電耦合。

　?。?）磁屏蔽的接地目的是為了防止形成環(huán)路產(chǎn)生環(huán)流而發(fā)生電磁干擾。

　　通常變頻器用自身的機(jī)殼屏蔽，能減少電磁干擾，考慮到附屬設(shè)備較多，線路復(fù)雜，宜設(shè)置專門的變頻柜，對變頻柜做可靠接地。這樣既能屏蔽交流調(diào)速系統(tǒng)向外輻射能量，又能防止外界電磁干擾。

　　3）合理布線通過對電氣線路的合理布置，能有效削減通過感應(yīng)方式傳播的干擾信號。應(yīng)用中須注意電氣設(shè)備的電源和信號線應(yīng)和變頻器的輸入和輸出線保持足夠間距；此外，變頻器信號線應(yīng)采用雙芯屏蔽型，并要求信號線盡量短。信號線一般采用鋼管屏蔽。

　　6.2.2 對變頻器進(jìn)行改造

　　對變頻裝置本身進(jìn)行改造，使其盡量少產(chǎn)生諧波的方式主要有以下幾種。

　　1）濾波器在電磁兼容設(shè)計(jì)中常用的是低通高阻濾波器。它在低頻時(shí)與電路串聯(lián)的阻抗很低，與電路并聯(lián)的阻抗很高；在高頻時(shí)阻帶范圍串聯(lián)阻抗高，而并聯(lián)阻抗很小。濾波器主要用于抑制變頻器產(chǎn)生的電磁干擾噪聲的傳導(dǎo)，也能抑制外界的電磁干擾以及瞬時(shí)沖擊、浪涌電流對變頻器的干擾。

　　依據(jù)使用位置的不同，一般可分為輸入濾波器和輸出濾波器。

　　輸入濾波器有兩種，線路濾波器和輻射濾波器。

　　線路濾波器串聯(lián)在變頻器輸入側(cè)，由電感線圈組成，通過增大電路的阻抗減小高頻率的諧波電流。輻射濾波器并聯(lián)在電源與變頻器輸入側(cè)，由高頻電容器組成，可以吸收頻率較高具有輻射能量的諧波成分，用于降低無線電噪聲。

　　輸出濾波器串聯(lián)在變頻器輸出側(cè)，由電感線圈組成，可以減少輸出電流中的高次諧波成分，抑制變頻器輸出側(cè)的浪涌電壓，同時(shí)可以減小電動(dòng)機(jī)有高頻諧波電流時(shí)引起的附加轉(zhuǎn)矩。

　　2）電抗器在電路中串入電抗器是抑制較低頻率諧波電流的有效方式。依據(jù)接線位置的不同，主要分交流電抗器和直流電抗器兩種。

　　交流電抗器串聯(lián)在電源與變頻器的輸