變頻器在電力系統(tǒng)工程應(yīng)用中存在的干擾問題以及解決辦法

1 引言
變頻器調(diào)速技術(shù)是集自動控制、微電子、電力電子、通信等技術(shù)于一體的高科技技術(shù)。傳動系統(tǒng)具有功率因數(shù)高、起動平穩(wěn)、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點，可運行于惡劣的電磁壞境中。由于采用軟啟動，可以減少設(shè)備電機的機械沖擊，延長設(shè)備和電機的使用壽命。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，變頻器以其具有節(jié)電、節(jié)能、可靠、高效的特性應(yīng)用到各個工業(yè)控制領(lǐng)域中，如供水、空調(diào)、過程控制、電梯、機床等設(shè)備，保證了調(diào)節(jié)精度，減輕了工人的勞動強度，提高了經(jīng)濟效益。因變頻器由電子元器件、計算機芯片等組成，易受外界的電氣干擾，其輸入側(cè)和輸出側(cè)的電壓、電流含有豐富的高次諧波對其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，即所謂的電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility-EMC）。
國際電工委員會（IEC）對電磁兼容性的定義是：電磁兼容性是電子設(shè)備的一種功能，電子設(shè)備在電磁壞境中能完成其功能，而不產(chǎn)生不能容忍的干擾。實際上電磁兼容性具有雙重含義；設(shè)備或系統(tǒng)應(yīng)具有一直抑制外部電磁干擾的能力，而且所產(chǎn)生的電磁干擾不得影響同一電磁壞境中其他電子設(shè)備的正常工作。
變頻器產(chǎn)生的干擾主要有3種：對電子設(shè)備的干擾、對通信設(shè)備的干擾、以及對無線電等產(chǎn)生的干擾。對計算機和自動控制裝置等電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾主要是感應(yīng)干擾；對通信設(shè)備和無線電等產(chǎn)生的干擾為輻射干擾。如果變頻器的干擾問題解決不好，不但系統(tǒng)無法可靠運行，還會影響其他電子、電氣設(shè)備的正常工作。因此，對變頻器應(yīng)用系統(tǒng)中的干擾問題很有必要進行控討，以得到進一步的推廣應(yīng)用。

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的電磁干擾
(1) 主要電磁干擾源
通用變頻器的輸入電路通常由二級管全橋整流電路和直流側(cè)電容器組成，如圖1（a）所示，輸入電流波形隨阻抗的不同相差很大。在電源阻抗比較小的情況下，其波形為窄而高的瘦長型波形，如圖1（b）實線所示；反之，當(dāng)電源阻抗比較大時，其波形為矮而寬的扁平型波形，如圖1（b）虛線所示。

圖1 變頻器的輸入電路和輸出電流波：(a) 輸入電路；
(b) 輸入電流波形

電磁干擾也稱電磁騷擾（EMI），是外部噪聲和無用信號在接收中所造成的電磁干擾。通常是通過電路傳導(dǎo)和以場的形式傳播，變頻器對系統(tǒng)內(nèi)其他的電子、電氣設(shè)備來說是一個電磁干擾源。另一方面，電網(wǎng)中的諧波干擾主要通過變頻器的供電電源干擾變頻器，電網(wǎng)中存在大量諧波源，如各種整流設(shè)備、交直流互換設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備、非線性負(fù)載及照明設(shè)備等。這些負(fù)荷都使電網(wǎng)中的電壓、電流產(chǎn)生波形畸變，從而對電網(wǎng)中其他設(shè)備產(chǎn)生有危害的干擾。變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網(wǎng)的干擾后，若不加以處理，電網(wǎng)噪聲就會通過電網(wǎng)電源電路干擾變頻器。供電電源對變頻器的干擾主要有：過壓、欠壓、順時掉電；浪涌、跌落；尖峰電壓脈沖；射頻干擾。其次，共模干擾通過變頻器的控制信號線也會干擾變頻器的正常工作。
(2) 電磁干擾的途徑
變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，對系統(tǒng)其他設(shè)備干擾較強：對周圍的電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射；對直接驅(qū)動的電動機產(chǎn)生電磁噪聲，使得電動機鐵耗和銅耗增加，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；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。同樣，系統(tǒng)內(nèi)的干擾信號通過相同的途徑干擾變頻器的正常工作?，F(xiàn)分別加以分析。
① 電磁輻射
變頻器如果不是裝在全封閉的金屬外殼內(nèi)，就可以向外空間輻射電磁波。其輻射場強取決于干擾源的電流強度、裝置的等效輻射阻抗以及干擾源的發(fā)射頻率。變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)來說是非線性負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波對接入同一電網(wǎng)的其它電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。變頻器的逆變橋大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)根據(jù)給定頻率和幅值指令產(chǎn)生預(yù)期的和重復(fù)的開關(guān)模式時，其輸出的電壓和電流的功率譜是離散的。并且?guī)в信c開關(guān)頻率相應(yīng)的高次諧波群。高載波頻率和場控開關(guān)器件的高速切換（dv/dt可達1kv/μs以上）所引起的輻射干擾問題相當(dāng)突出。
當(dāng)變頻器的金屬外殼帶有縫隙或孔洞，則輻射強度與干擾信號的波長有關(guān)，當(dāng)孔洞的大小與電磁波的波長接近時，會形成干擾輻射源向四周輻射。而輻射場中的金屬物體還可能形成二次輻射。同樣，變頻器外部的輻射也會干擾變頻器的正常正作。
② 傳導(dǎo)
電磁干擾除了通過與其相連的導(dǎo)線向外部發(fā)射，也可以通過阻抗耦合或接地路回路耦合將干擾帶入其它電路，與輻射干擾相比，其傳播的路程可以很遠。比較曲型的傳播途徑是：接自工業(yè)低壓網(wǎng)絡(luò)的變頻器所產(chǎn)生的干擾信號，將沿著配電變壓器進入中壓網(wǎng)絡(luò)，并沿著其它的配電變壓器最終又進入民用低壓配電網(wǎng)絡(luò)，使接入民用配電母線的電氣設(shè)備成為遠程的受害者。
③ 感應(yīng)耦合
感應(yīng)耦合是介于輻射與傳導(dǎo)之間的第三條傳播途徑。當(dāng)干擾源的頻率較低時，干擾的電磁波輻射能力相當(dāng)有限，而該干擾源又不直接與其它導(dǎo)體連接。但此時的電磁干擾能量可以通過變頻器的輸入、輸出導(dǎo)線與其相鄰的其他導(dǎo)線或?qū)w產(chǎn)生感應(yīng)耦合，在鄰近導(dǎo)線或?qū)w內(nèi)感應(yīng)干擾電流或電壓。感應(yīng)耦合可以由導(dǎo)體間的電容耦合的形式出現(xiàn)，這與干擾源的頻率以及與相鄰導(dǎo)體的距離等因素有關(guān)。

圖2變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)抗干擾措施

3 高次諧波主要危害
(1) 對電容器的影響
由于電容器的容抗與頻率成反比，故在高次諧波電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，使諧波電流的波形畸變比諧波電壓的波形畸變大得多。即使電壓中諧波所占的比例不大，也會產(chǎn)生顯著的諧波電流。特別是在發(fā)生諧振的情況下，很小的諧波電壓就可引起很大的諧波電流，使電容器成倍地過負(fù)荷，導(dǎo)致電容器因過流而損壞。
(2) 對旋轉(zhuǎn)電機的影響
諧波電壓或電流會在電機的定子繞組、轉(zhuǎn)子回路以及定子和轉(zhuǎn)子鐵芯中引起附加損耗。由于渦流和集膚效應(yīng)的關(guān)系，定子和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)的這些附加損耗要比直流電阻引起的損耗大。總的諧波損耗可用下式表示：
∑Pk=∑3Isk2Rsk+∑3Irk2Rsk+∑0.01〔Isk/Is〕2K3/2 P （1）
式中：∑3Isk2Rsk——定子諧波銅耗；
∑3Irk2Rsk ——轉(zhuǎn)子諧波銅耗；
∑0.01〔Isk/Is〕2K3/2 P—諧波鐵耗和諧波雜質(zhì)損耗；
Isk——定子K次諧波電流有效值；
Irk——轉(zhuǎn)子K次諧波電流有效值；
Is——定子基波電流有效值；
Rsk——K次諧波頻率下考慮集膚效應(yīng)的每相轉(zhuǎn)子電阻（折合到定子側(cè)）；
P——電機的功率。
另外，諧波電流還會增大電機的噪音和產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子第K次諧波電流與基波放置磁場產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩由下式表示:
TK-1=(3p/2*3.14f1)*IskEr*(Kωτ-φr） （2)
式中：Er——轉(zhuǎn)子基波電勢（折算到定子側(cè)）；
φr——Irk與Er的相位差；
f1——定子基波頻率；
p——電機的極對數(shù)。
(3) 對輸電系統(tǒng)的影響
諧波電流不僅在輸電線路上產(chǎn)生諧波電壓降，而且增加輸電線路上的電流有效值，引起附加輸電損耗。在電纜輸電的情況下，諧波電壓正比于幅值電壓增強介質(zhì)的電場強度，影響電纜的使用壽命。據(jù)有關(guān)資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約60%。
(4) 對變壓器的影響
變壓器在高次諧波電壓的作用下，將產(chǎn)生集膚效應(yīng)和鄰居近效應(yīng)。在繞組中引起附加銅耗，同時也使用鐵耗相應(yīng)增加。其附加損耗可用下式表示：
Δp=3I2kTrskkT （3）
式中：IKT——通過變壓器的K次諧波電流；
rs——變壓器的實際電阻；
kkT——考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)影響的系數(shù)。另外，3的倍數(shù)次零序電流會在Δ接法的繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，這一額外的環(huán)流會使繞組電流超過額定值。對于帶不對稱負(fù)載的變壓器來說，如果負(fù)載電流中含有直流分量，會引起變壓器的磁路飽和，大大增加交流激磁電流的諧波分量。
(5) 對繼電保護和自動裝置的影響
諧波能夠改變保護繼電器的動作特性，這與繼電器的設(shè)計特點和原理有關(guān)。當(dāng)有諧波畸變時，領(lǐng)先采樣數(shù)據(jù)或過零工作的數(shù)字繼電器容易產(chǎn)生誤差。高次諧波對過電流、欠電壓、距離、周波等繼電器均會引起拒動和誤動，使保護裝置失靈和動作不穩(wěn)定。
(6) 對通信的干擾
供電系統(tǒng)中的靜止在換相期間電流波形發(fā)生急劇變化。換相電流會在正常供電電壓中注入一個脈沖電壓，且脈沖電壓所包含的諧波頻率較高，甚至達到1MHz，因而會引起電磁干擾。它對通信線路、通信設(shè)備會產(chǎn)生很大的影響。

4 抗電磁干擾的措施
根據(jù)電磁基本原理，形成電磁干擾（EMI）須具備電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統(tǒng)等3個要素?？刹捎糜布蛙浖垢蓴_措施，而最基本和最重要的抗干擾措施是硬件抗干擾。主要措施是隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。
(1) 隔離
把干擾源和易受干擾的部分從電路上隔離開來，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。在變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)中，通常是在電源和放大器電路之間的電源線上采用隔離變壓器（如噪聲隔離變壓器），以免傳導(dǎo)干擾。
(2) 濾波
設(shè)置濾波器，抑制干擾信號從變頻器通過電源線傳導(dǎo)干擾到電源及電動機。為減少電磁噪聲和損耗，在變頻器輸出側(cè)可以設(shè)置輸出濾波器；為減少對電源的干擾，可在變頻器輸入側(cè)設(shè)置輸入濾波器；若線路中有敏感電子設(shè)備，系統(tǒng)的抗干擾要求較高，為減少對電源的干擾，可在電源線上設(shè)置電源噪聲濾波器。
(3) 屏蔽
屏蔽干擾源，是抑制干擾最有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏。輸出線最好用鋼管屏蔽， 特別是以外部信號控制變頻器時，要求信號線盡可能短（一般為20m以內(nèi)），且信號線采用雙芯屏蔽，并與主電路及控制回路完全分離，不能放于同一配管或線槽內(nèi)，周圍電子敏感設(shè)備也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。
(4) 接地
接地是抑制噪聲和防止干擾的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。變頻器的接地方式有多點接地、一點接地及經(jīng)母線接地等幾種形式，要根據(jù)具體情況采用，注意不要因為接地不良而對設(shè)備產(chǎn)生干擾。
單點接地電路或裝置中，只有一個物理點定義為接地點，在低頻下的性能好；多點接地裝置中的各個接地點都直接接到距它最近的接地點，在高頻下的性能好；混合接地是根據(jù)信號頻率和接地線長度，采用單點接地和多點接地共用的方式。變頻器本身有專用接地端子PE端，從安全和降低噪聲的需要出發(fā)，必須接地。既不能將地線接在電器設(shè)備的外殼上，也不能接在零線上?？捎幂^粗的短線，一端接到接地端子PE端，另一端與接地極相連，接地電阻取值＜100Ω，接地線長度在20m以內(nèi)，并注意統(tǒng)一選擇接地極的位置。
圖2為變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)一般抗干擾措施，可根據(jù)系統(tǒng)的抗干擾要求合理選擇使用。為抑制變頻器輸入側(cè)的諧波電流，改善功率因數(shù)，可在變頻器輸入端加裝交流電抗器，選用與否可視電源變壓器與變頻器容量的匹配情況及電網(wǎng)允許的畸變程度而定，一般情況下采用為好。為改善變頻器輸出電流，減少電動機噪聲，可在變頻器輸出端加裝交流電抗器。若系統(tǒng)中含控制單元（如微機）等，必須在軟件上采取抗干擾措施。
(5) 正確安裝
變頻器對安裝環(huán)境要求較高。一般變頻器使用手冊規(guī)定溫度范圍為最低溫度-10℃，最高溫度不超過50℃；變頻器的安裝海拔高度應(yīng)小于1000m，超過此規(guī)定應(yīng)降容使用；變頻器不能安裝在經(jīng)常發(fā)生振動的地點，對振動沖擊較大的場合，應(yīng)采用加橡膠墊等防振措施；不能安裝在電磁干擾源附近；不能安裝在有灰塵、腐蝕性氣體等空氣污染的環(huán)境；不能安裝在潮濕環(huán)境中，如潮濕管道下應(yīng)用密封柜式結(jié)構(gòu)，并且要確保變頻器通風(fēng)暢通，確?？刂乒裼凶銐虻睦鋮s風(fēng)量，其典型的損耗一般按變頻器功率的3%來計算柜中允許的溫升值。安裝工藝要求如下。
① 確?？刂乒裰械乃性O(shè)備接地良好，應(yīng)該使用短、精的接地線（最好采用扁平導(dǎo)體或金屬網(wǎng)，因其在高頻時阻抗較低）連接到公共地線上。按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其接地電阻應(yīng)小于4Ω。另外與變頻器相連的控制設(shè)備（如PLC或PID控制儀）要與其共地。
② 安裝布線時將電源線和控制電纜分開，例如使用獨立的線槽等。若控制電路連接線須和電源電纜交叉，應(yīng)成90°交叉布線。
③ 使用屏蔽導(dǎo)線或雙絞線連接控制電路時，確保未屏蔽之處盡可能短，條件允許時應(yīng)采用電纜套管。
④ 確保控制柜中接觸器的滅弧功能。交流接觸器采用R-C抑制器，也可采用壓敏電阻抑制器，如果接觸器是通過變頻器的繼電器控制的，這一點特別重要。
⑤ 用屏蔽和鎧裝電纜作為電機接線時，要將屏蔽層雙端接地。
⑥ 如果變頻器運行在對噪聲敏感的壞境中，可以采用RFI濾波器減小來自變頻器的傳導(dǎo)和輻射干擾。為達到最優(yōu)效果，濾波器與安裝金屬板之間應(yīng)有良好的導(dǎo)電性。

5 系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)注意的其他問題
(1) 變頻器與弱電控制設(shè)備分開布置
在設(shè)備排列布置時，應(yīng)該注意將變頻器單獨布置，盡量減少可能產(chǎn)生的電磁輻射干擾。在實際工程中，由于受到房屋面積的限制，往往不可能有單獨布置的位置，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。
(2) 變頻器不可頻繁操作
變頻器電源輸入側(cè)可采用容量適宜的空氣開關(guān)作為短路保護，但切記不可頻繁操作。由于變頻器內(nèi)部有大電容，其放電過程較為緩慢，頻繁操作將造成過電壓而損壞元件。因此，應(yīng)盡量由變頻器、而不是通過接觸器啟停變頻調(diào)速電機。
(3) 減少不必要的連線
為避免傳導(dǎo)干擾，除了控制系統(tǒng)與變頻器之間必須的控制線外，其它如控制電源等應(yīng)分開。由于控制系統(tǒng)及變頻器均需要24V直流電源，如果共用一個直流電源，有時變頻器會通過直流電源對控制系統(tǒng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾。設(shè)計或訂貨時要特別加以說明，要求用兩個直流電源分別對兩個系統(tǒng)供電。
(4) 注意變頻器對電網(wǎng)的干擾
變頻器在運行時產(chǎn)生的高次諧波會對電網(wǎng)產(chǎn)生影響，使電網(wǎng)波形嚴(yán)重畸變，可能造成電網(wǎng)電壓降很大、電網(wǎng)功率因數(shù)很低，大功率變頻器應(yīng)特別注意。采用無功自動補償裝置以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，同時根據(jù)具體情況在變頻器電源進線側(cè)加電抗器以減少對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。進線電抗器可以由變頻器供應(yīng)商配套提供，但在訂貨時要加以說明。
(5) 應(yīng)注意限制最低轉(zhuǎn)速
在低轉(zhuǎn)速時，電機噪聲增大，電機冷卻能力下降，若負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大或滿載，可能燒毀電機。確需低速運轉(zhuǎn)的高負(fù)荷變頻電機，應(yīng)考慮加大額定功率，或增加輔助的強風(fēng)冷卻。
(6) 注意防止發(fā)生共振現(xiàn)象
由于定子電流中含有高次諧波成分，電機轉(zhuǎn)矩中含有脈動分量，有可能造成電機的振動與機械振動產(chǎn)生共振，使設(shè)備出現(xiàn)故障。預(yù)先找到負(fù)載固有的共振頻率后，利用變頻器頻率跳躍功能設(shè)置，躲開共振率點。
(7) 變頻器柜不宜安置其它操作性開關(guān)電器
變頻器柜內(nèi)除本機專用的空氣開關(guān)外，不宜安置其它操作性開關(guān)電器，以免開關(guān)噪聲入侵變頻器，造成誤動作。

6 結(jié)語
通過對變頻器運行過程中干擾問題的分析，提出了解決問題的實際方法。隨著新技術(shù)和新理論不斷在變頻器上的應(yīng)用，變頻器應(yīng)用存在的這些問題有望通過變頻器本身的功能和補償來解決。

參考文獻
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作者簡介
任偉，男，黑龍江省克山縣人，哈爾濱工程大學(xué)畢業(yè)。
主要從事電力系統(tǒng)高低壓電氣設(shè)備及繼電保護的調(diào)試與試驗工作。
孫洪雨，女，哈爾濱工程大學(xué)畢業(yè)，從事電力系統(tǒng)高低壓電氣設(shè)備及繼電保護產(chǎn)品的工程設(shè)計工作?！?br />