變頻器諧波干擾及抑制

0 引言

　　近年來，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流傳動(dòng)與控制技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其他許多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。但是由于變頻器中普遍有晶閘管、整流二極管及大功率IGBT開關(guān)等非線性元器件，在使用中會(huì)產(chǎn)生大量諧波，從而干擾周圍電器正常運(yùn)行。如果變頻器的干擾問題解決不好，不但系統(tǒng)無法可靠運(yùn)行，還會(huì)影響其他電子、電氣設(shè)備的正常工作，因此有必要對(duì)變頻器應(yīng)用系統(tǒng)中的干擾問題進(jìn)行探討。

1 變頻調(diào)速系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生

　　變頻器的主電路一般由交-直-交組成，外部輸入的380 V/50 Hz 的工頻電源經(jīng)三相橋路晶閘管整流成直流電壓信號(hào)后，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)器件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號(hào)。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅里葉級(jí)數(shù)分解為基波和各次諧波，其中的高次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(hào)是受PWM載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形，對(duì)于GTR 大功率逆變器件，其PWM的載波頻率為2耀3 kHz，而IGBT大功率逆變器件的PWM最高載頻可達(dá)15 kHz。同樣，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，而高次諧波電流對(duì)負(fù)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。

　　用于電機(jī)調(diào)速的交-直-交型通用變頻器一般是6脈動(dòng)裝置，其諧波電流含有率如表1所列。
此外，交-交型變頻器通過一套可關(guān)斷晶閘管和斬波技術(shù)，不經(jīng)過整流這個(gè)環(huán)節(jié)，把電網(wǎng)工頻直接變成交流調(diào)速電機(jī)所需要的交流頻率。交-交型變頻器除了向電網(wǎng)系統(tǒng)注入高次諧波外，還注入諧間波（即頻率不是工頻倍數(shù)）電流。諧波電流的頻率和含量隨電機(jī)的工況變化而變化。

2 諧波的傳播途徑

　　變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，對(duì)系統(tǒng)其他設(shè)備干擾性較強(qiáng)，其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分傳導(dǎo)（即電路耦合）、電磁輻射、感應(yīng)耦合。具體為：首先對(duì)周圍的電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射，這是頻率很高的諧波分量的主要傳播方式；其次對(duì)直接驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲，使得電機(jī)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，這是變頻器輸入電流干擾信號(hào)的主要傳播方式；最后變頻器對(duì)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，感應(yīng)的方式又有兩種：即電磁感應(yīng)方式，這是電流干擾信號(hào)的主要方式；靜電感應(yīng)方式，這是電壓干擾信號(hào)的主要方式。同樣，系統(tǒng)內(nèi)的干擾信號(hào)通過相同的途徑干擾變頻器的正常工作。

3 諧波的危害

　　1）諧波使電網(wǎng)中的電器元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了輸變電及用電設(shè)備的效率。

　　2）諧波可以通過電網(wǎng)傳導(dǎo)到其他的電器，影響了許多電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，比如諧波會(huì)使變壓器產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，使其局部過熱，絕緣老化，壽命縮短，以至于損壞；還有傳導(dǎo)來的諧波會(huì)干擾電器設(shè)備內(nèi)部軟件或硬件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　3）諧波會(huì)引起電網(wǎng)中局部的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而使諧波放大。

　　4）諧波或電磁輻射干擾會(huì)導(dǎo)致繼電器保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，使電氣儀表計(jì)量不準(zhǔn)確，甚至無法正常工作。

　　5）電磁輻射干擾使經(jīng)過變頻器輸出導(dǎo)線附近的控制信號(hào)、檢測(cè)信號(hào)等弱電信號(hào)受到干擾，嚴(yán)重時(shí)使系統(tǒng)無法得到正確的檢測(cè)信號(hào)，或使控制系統(tǒng)紊亂。

4 諧波的治理

　　4.1 減少變頻器工作時(shí)對(duì)外部設(shè)備的影響的措施

　　1）增加交流/直流電抗器采用交流/直流電抗器后，進(jìn)線電流的THD 降低30%~50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。

　　2）多相脈沖整流在條件具備，或者要求產(chǎn)生的諧波限制在比較小的情況下，可以采用多相整流的方法。12 相脈沖整流的THD為10%~15%，18 相脈沖整流的THD為3%~8%，滿足EN61000-3-12和IEEE519-1992 標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求。缺點(diǎn)是需要專用變壓器和整流器，不利于設(shè)備改造，價(jià)格較高。

　　3）無源濾波器采用無源濾波器后，滿載時(shí)進(jìn)線中的THD 可降至5%~10%，滿足EN61000-3-12和IEEE519-1992 的要求，技術(shù)成熟，價(jià)格適中。適用于所有負(fù)載下的THD30%的情況，缺點(diǎn)是輕載時(shí)功率因數(shù)會(huì)降低。

　　4）加裝有源濾波器早在上世紀(jì)70 年代初，日本學(xué)者就提出有源濾波器的概念，有源濾波器通過對(duì)電流中高次諧波進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果輸入與高次諧波成分具有相反相位的電流，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。與無源濾波器相比具有高度可控性和快速響應(yīng)性，有一機(jī)多能特點(diǎn)，且可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)，也可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化的諧波。但存在容量大，價(jià)格高等特點(diǎn)。

　　5）輸出電抗器也可以采用在變頻器到電動(dòng)機(jī)之間增加交流電抗器的方法，主要目的是減少變頻器的輸出在能量傳輸過程中，線路產(chǎn)生的電磁輻射。該電抗器必須安裝在距離變頻器最近的地方，盡量縮短與變頻器的引線距離。如果使用鎧裝電纜作為變頻器與電動(dòng)機(jī)的連線時(shí)，可不使用這種方法，但要做到電纜的鎧在變頻器和電動(dòng)機(jī)端可靠接地，而且接地的鎧要原樣不動(dòng)接地，不能扭成繩或辮，不能用其他導(dǎo)線延長，靠近變頻器側(cè)要接在變頻器的地線端子上，再將變頻器接地。

　　6）使用理想化的無諧波污染的綠色變頻器綠色變頻器的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負(fù)載時(shí)都能使功率因數(shù)為1，可獲得任意可控的輸出功率。

　　4.2 提高其他設(shè)備對(duì)變頻器諧波抑制能力

　　在變頻器諧波干擾較嚴(yán)重的場合，常用的方法通常有以下幾種。

　　1）使用隔離變壓器使用隔離變壓器主要是應(yīng)對(duì)來自于電源的傳導(dǎo)干擾。使用具有隔離層的隔離變壓器，可以將絕大部分的傳導(dǎo)干擾阻隔在隔離變壓器之前，同時(shí)還可以兼有電源電壓變換的作用。隔離變壓器常用于抑制控制系統(tǒng)中的儀表、PLC，以及其他低壓小功率用電設(shè)備的抗傳導(dǎo)干擾。

　　2）使用濾波模塊或組件目前市場中有很多專門用于抗傳導(dǎo)干擾的濾波器模塊或組件，這些濾波器具有較強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)還具有防止用電器本身的干擾傳導(dǎo)給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能，對(duì)各類用電設(shè)備有很多好處。
常用的有雙孔磁芯濾波器和單孔磁芯濾波器，單孔磁芯濾波器濾波能力較雙孔的弱些，但成本較低。

　　3）選用具有開關(guān)電源的儀表等低壓設(shè)備一般開關(guān)電源的抗電源傳導(dǎo)干擾的能力都比較強(qiáng)，因?yàn)樵陂_關(guān)電源的內(nèi)部也都采用了有關(guān)的濾波器。因此在選用控制系統(tǒng)的電源設(shè)備，或者選用控制用電器的時(shí)候，盡量采用開關(guān)電源類型的。

　　4）做好信號(hào)線的抗干擾信號(hào)線承擔(dān)著檢測(cè)信號(hào)和控制信號(hào)的傳輸任務(wù)，毋庸置疑，信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性，因此做好信號(hào)線的抗干擾是十分必要的。
對(duì)于信號(hào)線上的干擾主要是來自空間的電磁輻射，有常態(tài)干擾和共模干擾兩種。

　?。?）常態(tài)干擾的抑制常態(tài)干擾是指疊加在測(cè)量信號(hào)線上的干擾信號(hào)，這種干擾大多是頻率較高的交變信號(hào)，其來源一般是耦合干擾。抑制常態(tài)干擾的方法有：

　　a 在輸入回路接RC 濾波器或雙T濾波器；

　　b 盡量采用雙積分式A/D 轉(zhuǎn)換器，由于這種積分器工作的特點(diǎn)，具有一定的消除高頻干擾的作用；

　　c 將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)再傳輸?shù)姆绞?，?duì)于常態(tài)的干擾有非常強(qiáng)的抑制作用。

　?。?）共模干擾的抑制共模干擾是指信號(hào)線上共有的干擾信號(hào)，一般是由于被測(cè)信號(hào)的接地端與控制系統(tǒng)的接地端存在一定的電位差所致，這種干擾在兩條信號(hào)線上的周期、幅值基本相等，所以采用上面的方法無法消除或抑制。對(duì)共模干擾的抑制方法如下：

　　a 采用雙差分輸入的差動(dòng)放大器，這種放大器具有很高的共模抑制比；

　　b 把輸入線絞合，絞合的雙絞線能降低共模干擾，由于改變了導(dǎo)線電磁感應(yīng)的方向，從而使其感應(yīng)互相抵消；

　　c 采用光電隔離的方法，可以消除共模干擾；

　　d 使用屏蔽線時(shí)，屏蔽層一端接地，因?yàn)槿魞啥私拥?，由于接地電位差在屏蔽層?nèi)會(huì)流過電流而產(chǎn)生干擾，因此只要一端接地即可防止干擾。

　　無論是為了抑制常態(tài)干擾還是抑制共模干擾，都還應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：

　?。?）輸入線路要盡量短；

　　（2）配線時(shí)避免和動(dòng)力線接近，信號(hào)線與動(dòng)力線分開配線，把信號(hào)線放在有屏蔽的金屬管內(nèi)，或者動(dòng)力線和信號(hào)線分開距離要在40 cm以上；

　　（3）為了避免信號(hào)失真，對(duì)于較長距離傳輸?shù)男盘?hào)要注意阻抗匹配。

　　5）軟件濾波在使用以單片機(jī)、PLC、計(jì)算機(jī)等為核心的控制系統(tǒng)中，編制軟件的時(shí)候，可以適當(dāng)增加對(duì)檢測(cè)信號(hào)和輸出控制部分的軟件濾波，以增強(qiáng)系統(tǒng)自身的抗干擾能力。

5 工程案例

　　5.1 系統(tǒng)受干擾時(shí)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象

　　2008 年8 月某公司進(jìn)行風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能改造時(shí)，安裝了9臺(tái)ABB ACS系列變頻器，其中8 臺(tái)變頻器是ACS-510系列，功率范圍為45耀110 kW；另外一臺(tái)變頻器是ACS-800 系列，功率為200 kW，此臺(tái)變頻器和另外一臺(tái)45 kW變頻器安裝在一臺(tái)1 000 kV·A車間變壓器供電的400 V母線上。變頻器的4耀20 mA 調(diào)速信號(hào)均來自PLC 控制系統(tǒng)。

　　在調(diào)試中ACS-510 系列變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)正常，但ACS-800變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)了兩個(gè)問題。

　　1）兩線制儀表信號(hào)受到干擾，測(cè)量值出現(xiàn)波動(dòng)。波動(dòng)比較嚴(yán)重時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出壓力高或者壓力低的信號(hào)；干擾非常嚴(yán)重時(shí)，控制系統(tǒng)誤認(rèn)為是壓力過低，而自動(dòng)關(guān)閉一些閥門。圖1 曲線前半部分為變頻器運(yùn)行時(shí)，儀表記錄曲線，記錄值波動(dòng)很大；曲線后半部分為變頻器停止運(yùn)行后記錄曲線，曲線比較平緩，幅值波動(dòng)很小。從記錄曲線可以明顯地看出變頻器運(yùn)行對(duì)儀表信號(hào)干擾非常強(qiáng)烈。
但是，除了兩線制以外的儀表，均正常工作，沒有受到干擾。

　　2）變頻器運(yùn)行后，車間變壓器保護(hù)裝置誤動(dòng)作，經(jīng)常發(fā)出過負(fù)荷報(bào)警，甚至還發(fā)生誤動(dòng)作跳閘的事故，而變壓器實(shí)際負(fù)荷才500 kW，沒有出現(xiàn)過負(fù)荷。

　　5.2 故障分析與排除

　　根據(jù)以上兩種故障現(xiàn)象，初步判斷是因?yàn)樽冾l器功率比較大，所以產(chǎn)生的電磁干擾也比較強(qiáng)烈，并且是由于控制線與動(dòng)力線距離比較近造成。系統(tǒng)原理如圖2所示（黑實(shí)線表示一次線路，表示二次控制線路或儀表線， 表示諧波傳播途徑），其4耀20 mA 調(diào)速信號(hào)電纜采用的是屏蔽雙絞線，穿鍍鋅鋼管后沿電纜橋架輻射，鋼管與電纜橋架的距離約為5 cm。

　　將控制電纜和動(dòng)力電纜之間的距離調(diào)整到30 cm 以上再次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)干擾現(xiàn)象仍然存在；為了再次確認(rèn)是否是電磁干擾沿控制線路引入PLC控制系統(tǒng)，將控制電纜從PLC 控制柜去除，變頻器控制柜現(xiàn)場手動(dòng)調(diào)速，發(fā)現(xiàn)兩線制儀表信號(hào)受到的干擾現(xiàn)象仍然存在，所以基本排除了是電磁干擾信號(hào)沿控制線路引入PLC 控制系統(tǒng)。隨后采用專用電能質(zhì)量測(cè)試儀對(duì)變頻器供電回路進(jìn)行諧波測(cè)試。測(cè)試諧波數(shù)據(jù)如表2 所列，諧波電流波形和諧波含量如圖3、圖4 所示。

　　從測(cè)試的諧波數(shù)據(jù)可知，變頻器產(chǎn)生了大量諧波，主要以5次、7 次、11 次諧波居多。

　　從變頻器電流曲線可以明顯的看出，諧波電流使正常的電流曲線不再是正弦曲線；諧波含量柱形圖所顯示的情形和所測(cè)得的諧波數(shù)值相吻合，證實(shí)了是變頻器諧波以電磁傳導(dǎo)方式傳播到供電網(wǎng)絡(luò)中去，從而影響到儀表變壓器繼電保護(hù)裝置不能正常工作。

　　根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果，仔細(xì)分析了ACS-510 系列變頻器和ACS-800 變頻器的結(jié)構(gòu)區(qū)別，從ABB變頻器使用手冊(cè)和其他技術(shù)資料中發(fā)現(xiàn)，兩種變頻器在其附件配置上稍微有點(diǎn)區(qū)別。ACS-510系列變頻器輸入端內(nèi)置了一臺(tái)變感式交流輸入電抗器和RFI濾波器。交流電抗器和RFI 濾波器是標(biāo)準(zhǔn)配置，在實(shí)際使用中不需要額外的濾波器。而ACS-800變頻器在輸入端只內(nèi)置了一臺(tái)交流輸入電抗器。EMC 濾波器是可選設(shè)備，如果在設(shè)備訂貨時(shí)沒有要求強(qiáng)調(diào)安裝EMC 濾波器，ABB 廠家只在輸入端內(nèi)置一臺(tái)交流輸入電抗器。

　　經(jīng)核實(shí)，這臺(tái)變頻器訂貨時(shí)確實(shí)沒有要求配置EMC 濾波器，于是在變頻器輸入端增加了一臺(tái)變頻器專用FT330-400型輸入濾波器，然后再開機(jī)試驗(yàn)，儀表信號(hào)受干擾現(xiàn)象消除，并且變壓器繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作事故也不再發(fā)生。

6 結(jié)語

　　為了確保變頻器系統(tǒng)的安全運(yùn)行，減小變頻器電磁噪聲對(duì)周邊設(shè)備的干擾，應(yīng)將變頻器系統(tǒng)的電磁兼容性、抗電磁干擾能力及降低電磁干擾等，作為變頻器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、施工安裝中綜合考慮的重要部分，須符合相關(guān)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求。