變頻器諧波干擾的形成及對(duì)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(wú)級(jí)調(diào)速，方便地對(duì)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(lái)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(lái)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(duì)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(jiǎn)單說(shuō)，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(duì)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?；兊姆钦也ㄍǔＪ侵芷谛噪姎夥至?，依據(jù)傅里葉級(jí)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(duì)外界產(chǎn)生的干擾

　　變頻器的整流橋和晶閘管逆變電路對(duì)于電網(wǎng)來(lái)講就是非線性負(fù)載，在逆變輸出回路中，輸出電流信號(hào)是受PWM 載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形，這樣，輸出回路電流信號(hào)也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波的信號(hào)，這些諧波除了能構(gòu)成電源無(wú)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(duì)變頻器本身以及電力系統(tǒng)中的其他設(shè)備的干擾信號(hào)。

5 高次諧波干擾的危害

　　諧波電流和諧波電壓的產(chǎn)生，對(duì)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(duì)其工作性能和壽命產(chǎn)生不利影響；對(duì)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(duì)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(guò)電壓或者過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(guò)熱，絕緣破壞直至燒毀。

　　此外，諧波可能導(dǎo)致開(kāi)關(guān)設(shè)備、保護(hù)電器的誤動(dòng)作，影響計(jì)量?jī)x表測(cè)量精度。

6 變頻器抗干擾的對(duì)策

　　一般來(lái)說(shuō)，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(duì)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(kāi)關(guān)、保護(hù)電器、照明設(shè)備等都是對(duì)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(guò)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(hào)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(hào)可能通過(guò)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(hào)分別通過(guò)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(duì)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(duì)系統(tǒng)的耦合通道，降低系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)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(duì)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(kāi)來(lái)，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(duì)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(hào)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(jiǎn)單可靠，費(fèi)用低。

　　（2）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(duì)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(guò)對(duì)電氣線路的合理布置，能有效削減通過(guò)感應(yīng)方式傳播的干擾信號(hào)。應(yīng)用中須注意電氣設(shè)備的電源和信號(hào)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(hào)線應(yīng)采用雙芯屏蔽型，并要求信號(hào)線盡量短。信號(hào)線一般采用鋼管屏蔽。

　　6.2.2 對(duì)變頻器進(jìn)行改造

　　對(duì)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(duì)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(guò)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(wú)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