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)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流傳動與控制技術(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)速和計算機數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。電機交流變頻調(diào)速技術(shù)是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段。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)點而被國內(nèi)外公認為最有發(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，在使用中會產(chǎn)生大量諧波，從而干擾周圍電器正常運行。如果變頻器的干擾問題解決不好，不但系統(tǒng)無法可靠運行，還會影響其他電子、電氣設(shè)備的正常工作，因此有必要對變頻器應(yīng)用系統(tǒng)中的干擾問題進行探討。

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。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，輸出電流信號是受PWM載波信號調(diào)制的脈沖波形，對于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15 kHz。同樣，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，而高次諧波電流對負載直接干擾。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。

　　用于電機調(diào)速的交-直-交型通用變頻器一般是6脈動裝置，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)過整流這個環(huán)節(jié)，把電網(wǎng)工頻直接變成交流調(diào)速電機所需要的交流頻率。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，對系統(tǒng)其他設(shè)備干擾性較強，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；其次對直接驅(qū)動的電動機產(chǎn)生電磁噪聲，使得電機鐵耗和銅耗增加；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，這是變頻器輸入電流干擾信號的主要傳播方式；最后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，感應(yīng)的方式又有兩種：即電磁感應(yīng)方式，這是電流干擾信號的主要方式；靜電感應(yīng)方式，這是電壓干擾信號的主要方式。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。

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)備的正常運行，比如諧波會使變壓器產(chǎn)生機械振動，使其局部過熱，絕緣老化，壽命縮短，以至于損壞；還有傳導(dǎo)來的諧波會干擾電器設(shè)備內(nèi)部軟件或硬件的正常運轉(zhuǎn)。

　　3）諧波會引起電網(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導(dǎo)致繼電器保護裝置的誤動作，使電氣儀表計量不準確，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、檢測信號等弱電信號受到干擾，嚴重時使系統(tǒng)無法得到正確的檢測信號，或使控制系統(tǒng)紊亂。

4 諧波的治理

　　4.1 減少變頻器工作時對外部設(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 標準的嚴格要求。缺點是需要專用變壓器和整流器，不利于設(shè)備改造，價格較高。

　　3）無源濾波器采用無源濾波器后，滿載時進線中的THD 可降至5%~10%，滿足EN61000-3-12和IEEE519-1992 的要求，技術(shù)成熟，價格適中。適用于所有負載下的THD<30%的情況，缺點是輕載時功率因數(shù)會降低。

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

　　5）輸出電抗器也可以采用在變頻器到電動機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機的連線時，可不使用這種方法，但要做到電纜的鎧在變頻器和電動機端可靠接地，而且接地的鎧要原樣不動接地，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)標準是輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負載時都能使功率因數(shù)為1，可獲得任意可控的輸出功率。

　　4.2 提高其他設(shè)備對變頻器諧波抑制能力

　　在變頻器諧波干擾較嚴重的場合，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的抗干擾能力，同時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，因為在開關(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候，盡量采用開關(guān)電源類型的。

　　4）做好信號線的抗干擾信號線承擔(dān)著檢測信號和控制信號的傳輸任務(wù)，毋庸置疑，信號傳輸?shù)馁|(zhì)量直接影響到整個控制系統(tǒng)的準確性、穩(wěn)定性和可靠性，因此做好信號線的抗干擾是十分必要的。
對于信號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)干擾是指疊加在測量信號線上的干擾信號，這種干擾大多是頻率較高的交變信號，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，具有一定的消除高頻干擾的作用；

　　c 將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號再傳輸?shù)姆绞剑瑢τ诔B(tài)的干擾有非常強的抑制作用。

　?。?）共模干擾的抑制共模干擾是指信號線上共有的干擾信號，一般是由于被測信號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。對共模干擾的抑制方法如下：

　　a 采用雙差分輸入的差動放大器，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，屏蔽層一端接地，因為若兩端接地，由于接地電位差在屏蔽層內(nèi)會流過電流而產(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：

　　（1）輸入線路要盡量短；

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

　?。?）為了避免信號失真，對于較長距離傳輸?shù)男盘栆⒁庾杩蛊ヅ洹?/p>

　　5）軟件濾波在使用以單片機、PLC、計算機等為核心的控制系統(tǒng)中，編制軟件的時候，可以適當增加對檢測信號和輸出控制部分的軟件濾波，以增強系統(tǒng)自身的抗干擾能力。

5 工程案例

　　5.1 系統(tǒng)受干擾時出現(xiàn)的故障現(xiàn)象

　　2008 年8 月某公司進行風(fēng)機、水泵節(jié)能改造時，安裝了9臺ABB ACS系列變頻器，其中8 臺變頻器是ACS-510系列，功率范圍為45耀110 kW；另外一臺變頻器是ACS-800 系列，功率為200 kW，此臺變頻器和另外一臺45 kW變頻器安裝在一臺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)速信號均來自PLC 控制系統(tǒng)。

　　在調(diào)試中ACS-510 系列變頻器運轉(zhuǎn)正常，但ACS-800變頻器運轉(zhuǎn)時出現(xiàn)了兩個問題。

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

　　2）變頻器運行后，車間變壓器保護裝置誤動作，經(jīng)常發(fā)出過負荷報警，甚至還發(fā)生誤動作跳閘的事故，而變壓器實際負荷才500 kW，沒有出現(xiàn)過負荷。

　　5.2 故障分析與排除

　　根據(jù)以上兩種故障現(xiàn)象，初步判斷是因為變頻器功率比較大，所以產(chǎn)生的電磁干擾也比較強烈，并且是由于控制線與動力線距離比較近造成。系統(tǒng)原理如圖2所示（黑實線表示一次線路，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。

　　將控制電纜和動力電纜之間的距離調(diào)整到30 cm 以上再次試驗，發(fā)現(xiàn)干擾現(xiàn)象仍然存在；為了再次確認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)場手動調(diào)速，發(fā)現(xiàn)兩線制儀表信號受到的干擾現(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)量測試儀對變頻器供電回路進行諧波測試。測試諧波數(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得的諧波數(shù)值相吻合，證實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裝置不能正常工作。

　　根據(jù)以上測試結(jié)果，仔細分析了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區(qū)別。ACS-510系列變頻器輸入端內(nèi)置了一臺變感式交流輸入電抗器和RFI濾波器。交流電抗器和RFI 濾波器是標準配置，在實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)備訂貨時沒有要求強調(diào)安裝EMC 濾波器，ABB 廠家只在輸入端內(nèi)置一臺交流輸入電抗器。

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

6 結(jié)語

　　為了確保變頻器系統(tǒng)的安全運行，減小變頻器電磁噪聲對周邊設(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、制造、施工安裝中綜合考慮的重要部分，須符合相關(guān)電磁兼容性標準和規(guī)范要求。