信號隔離器在變頻器諧波干擾防治實例

作者：時間：2011-08-08 來源：網(wǎng)絡(luò)

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1引言

近年來，由于調(diào)速和節(jié)能的需要，越來越多的場合用到了變頻調(diào)速技術(shù)。其中的核心部分變頻器是電力電子器件，有電子元器件，計算機(jī)芯片，易受外界的一些電氣干擾，因此，變頻器投入電網(wǎng)運(yùn)行時，需要考慮電網(wǎng)電壓是否對稱，變壓器容量的大小及配電母線上是否接有非線性設(shè)備等；另一方面，變頻器本身輸入側(cè)是一個非線性整流電路，對電源的波形將有影響，變頻器輸出側(cè)電壓、電流、非正弦或非完全正弦波含有豐富的諧波。由于變頻器中要進(jìn)行大功率二極管整流、大功率晶體管逆變，結(jié)果是在輸入輸出回路產(chǎn)生電流高次諧波，干擾供電系統(tǒng)、負(fù)載及其它鄰近電氣設(shè)備。在實際使用過程中，經(jīng)常遇到變頻器諧波干擾問題，下面簡單介紹變頻器諧波產(chǎn)生的機(jī)理、干擾途徑、危害以及有效防止或抑制干擾的對策。

2變頻器諧波產(chǎn)生機(jī)理

變頻器的主電路一般為交-直-交組成，外部輸入380V／50Hz的工頻電源經(jīng)三相橋式不可控整流成直流電壓信號，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號。
輸入側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理：不限于通用變頻器，晶閘管供電的直流電動機(jī)、無換向器電動機(jī)等凡是在電源側(cè)有整流回路的，都將產(chǎn)生因其非線性引起的諧波。在三相橋式整流回路中，輸入電流的波形為矩形波，波形按傅立葉級數(shù)分解為基波和各次諧波，通常含有6n+1(n=l，2，3…．)次諧波。其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。

輸出側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理：在逆變輸出回路中，輸出電壓和電流均有諧波。對于PWM控制的變頻器，只要是電壓型變頻器，不管是何種PWM控制，其輸出電壓波形為矩形波。其中諧波頻率的高低是與變頻器調(diào)制頻率有關(guān)，調(diào)制頻率低(如1～2KHz)，人耳聽得見高次諧波頻率產(chǎn)生的電磁噪聲(尖叫聲)。若調(diào)制頻率高(如 IGBT變頻器可達(dá)20KHz)，人耳聽不見，但高頻信號是客觀存在。從電壓方波及電流正弦鋸齒波，用傅立葉級數(shù)不難分析出各次諧波的含量。所以，輸出回路電流信號也可分解為只含正弦波的基波和其它各次諧波，而高次諧波電流對負(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。

3諧波干擾途徑

變頻器諧波干擾途徑還是與一般無線電干擾一樣分傳導(dǎo)和輻射，在傳導(dǎo)的過程中，與變頻器輸出線平行敷設(shè)的導(dǎo)線又會產(chǎn)生電磁耦合形成感應(yīng)干擾；變頻器輸出側(cè)諧波又會輻射，對附近的無線電設(shè)備產(chǎn)生干擾，其干擾途徑如圖1所示。

4諧波干擾的危害

(1)變壓器：電流諧波將增加銅損，電壓諧波將增加鐵損，綜合效果是使變壓器溫度上升，影響其絕緣能力，并造成容量裕度減小。諧波也可能引起變壓器繞組及線間電容之間的共振，及引起鐵心磁通飽和或歪斜，而產(chǎn)生噪聲。

(2)電動機(jī)：輸出諧波對電動機(jī)的影響主要有，引起電動機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電動機(jī)的額外溫升，電動機(jī)往往要降額使用，由于輸出波形失真，增加電動機(jī)的重復(fù)峰值電壓，影響電動機(jī)的絕緣，諧波還會引起電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動，以及噪聲增加。

(3)電力電容器組：一般電容器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，規(guī)定其最大電流只允許35％的超載，但實際運(yùn)轉(zhuǎn)時，由于諧波的影響，以致常發(fā)生嚴(yán)重過載。由于電容器之阻抗，隨頻率的增加而減少，故諧波產(chǎn)生時，電容器即成為一陷流點，流入大量電流，因而導(dǎo)致過熱、增加介電質(zhì)的應(yīng)力，甚至損壞電力電容器。當(dāng)電容器與線路阻抗達(dá)到共振條件時，會發(fā)生振動短路、過電流及產(chǎn)生噪聲。

(4)開關(guān)設(shè)備：由于諧波電流的存在，開關(guān)設(shè)備在起動瞬間產(chǎn)生很高di／dt的電流變化率，致使增加暫態(tài)恢復(fù)電壓的峰值，以致破壞絕緣。

(5)保護(hù)電器：電流中含有諧波，必產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩，改變電器的動作特性，以致引起誤動作。

(6)計量儀表：電能表等計量儀表，因諧波而會造成感應(yīng)轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩，引起誤差，降低精確度。

(7)電力電子設(shè)備：在多種場合，電子設(shè)備常會產(chǎn)生諧波的電流源，且很容易感受諧波失真而誤動作。

(8)其它還有如照明設(shè)備、通信設(shè)備、電視及音響設(shè)備、電腦設(shè)備、載頻遙控設(shè)備等都容易受諧波的干擾而影響其正常的工作或減少其使用壽命。

5抑制諧波干擾的對策
諧波的傳播途徑是傳導(dǎo)和輻射，解決傳導(dǎo)干擾主要是在電路中把傳導(dǎo)的高頻電流濾掉或者隔離；解決輻射干擾就是對輻射源或被干擾的線路進(jìn)行屏蔽。具體的常用方法有：

5.1在變頻器輸入側(cè)的對策：
(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(dú)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)設(shè)置交流電抗器。
(3)設(shè)置交流濾波器。
(4)整流器的多重化技術(shù)，對于大容量晶閘管變頻器可以采取這種方法，將電源側(cè)整流器分兩個，在其輸入側(cè)裝設(shè)Y，y-d或D,y-d繞組聯(lián)結(jié)的變壓器，利用多重化抑制流向電源側(cè)的高次諧波。因為需要將整流器分開，所以在通用變頻器中不采用［１］。

5.2在變頻器輸出側(cè)的對策
防止輸出側(cè)諧波干擾的對策，大致分為兩大類，第一類屬傳統(tǒng)式，即向降低雜訊大小入手；第二類屬于新嘗試，其基本的觀念及作法是企圖將無意義的雜訊轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛇x擇的咨詢。這種方法在試驗中證實了其有效性［２］。其中第一類方法可分為：
(1)采用高于人耳不能聽到的開關(guān)頻率高的電力電子器，如MOSFET，IGBT等；
(2)在變頻器輸出端后加裝濾波器使送至電力設(shè)備前的電源波形為正弦波；
(3)改善PWM調(diào)制方法，降低諧波含量；
(4)用閉環(huán)控制的方法，如ADSM及DSMC，來改善一般傳統(tǒng)PWM的諧波現(xiàn)象。
另外，在電動機(jī)和變頻器之間的電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜，并與其它弱電信號在不同的電纜溝分別敷設(shè)，避免輻射干擾。
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20cm以上)，切斷輻射干擾。
變頻器使用專用接地線，且用粗短線接地，鄰近其他電器設(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］。

6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(yùn)行正常，而鄰近液位計讀數(shù)偏高，一次表輸入4mA時，液位顯示不是下限值；液位未到設(shè)定上限值時，液位

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