防止谐波干扰的有效对策

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。图9-4 变频器输出侧谐波干扰途径3.谐波干扰的危害1）变压器。1）在变频器输入端加装滤波器以防止对共电源的其他电子设备引起干扰，在输出端加装滤波器时使送出的电源波形为正弦波。为了防止干扰，可采用如图9-5所示的方案。

一般电压380～500V的低压变频器，其主电路都采用交-直-交电压型，输入为不可控的整流电路，输出用IGBT PWM逆变电路。所以输入电压是正弦的，输入电流是非正弦的；输出电压时非正弦（阶梯型）的，输出电流近似正弦（SPWM调制）。

总之，不论输入、输出都存在非正弦，要产生谐波，尤其是输出，影响较大。当变频器容量不大于10%电源变压器容量时，影响不大，当容量超过该值时，可以引起不良后果，这就有必要采取一定的防止措施。在实际使用过程中，经常遇到变频器谐波干扰问题，下面简单介绍谐波产生的机理、传播途径及有效抑制干扰的方法。

1.谐波产生机理

变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流电路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅里叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出电路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2～3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。同样，输出电路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。

2.输出侧谐波对外产生干扰的方式和途径

（1）谐波干扰的方式

逆变器对外产生的干扰危害，一般可通过电磁波的方式向空中辐射，通过线间电感向周围线路产生电磁感应，通过线间电容向周围线路及器件产生静电感应，还可以通过电源网络向电网传播。当变频器调速系统的容量足够大时，所产生的高频信号将足以对周围各种电子设备的工作形成干扰，其后果主要有：影响无线电设备的正常接收，影响周围机器设备的正常工作。此外，变频器输出的具有陡变沿的驱动脉冲包含多种高次谐波，而变频器与电动机之间的连接电缆存在杂散电容和电感，并受某次谐波的激励而产生杂散电容，过冲电压在绕组中产生尖峰电流如图9-3所示，使其在绕组绝缘层不均匀处引起过热，甚至破坏绝缘层而导致电动机损坏，还会增加电源的功率损耗。如果逆变器的开关频率位于听觉范围内，电动机还会产生噪声污染。

图9-3 变频器过冲电压对电动机输入波产生的干扰

（2）谐波干扰的途径

变频器输出侧的谐波干扰途径与一般无线电干扰一样分传导和辐射，在传导过程中，与变频器输出线平行的导线又会产生电磁耦合形成感应干扰。变频器输出侧谐波又会辐射，对附近的无线电设备产生干扰，其干扰途径如图9-4所示。

图9-4 变频器输出侧谐波干扰途径

3.谐波干扰的危害

1）变压器。电流谐波将增加铜损，电压谐波将增加铁损，综合结果是使变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减少。

2）电动机。引起电动机附加发热，导致电动机的额外温升，电动机往往要降额使用。由于输出波形失真，增加电动机的峰值电压，影响电动机的绝缘，谐波还会引起电动机转矩脉动，以及噪声增加。

3）保护电器。电流中还有谐波，必然会产生额外的转矩，改变电动机的动作特性，以致引起误动作。

4）电力电子设备。在许多场合，电子设备是产生谐波的电流源，且很容易感受谐波失真而误动作。

5）开关设备。由于谐波电流的存在，开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率di/dt，致使增加暂态电压的峰值，破坏绝缘。所以当谐波过大时，常常引起一些熔丝开关跳脱，产生误动作，也很容易使一些开关里的电力熔丝熔断。

6）计算仪表。电能表等计量仪表，会因谐波而造成感应转盘产生额外电磁转矩，引起误动作，降低精度。

7）电力电容器组。一般电容器的标准规格规定其电流只允许35%的超载，但实际运转中，由于谐波影响，以致常常发生严重过载：由于电容器的阻抗伴随频率的增加而减少，故当谐波产生时，电容器即成为一陷流点，流入大量的电流，因而导致过热，增加介点质的应力，甚至损坏电力电容器。

8）通信设备。传输电线中若含有谐波，则将产生磁场及电场，以致干扰通信线路。

4.谐波的标准及其限值

中国国家标准GB 12668—1990《变频器标准及产品实验要求》的具体规定为：电压畸变≤10%，奇次≤5%，偶次≤2%，短时（≤30s）≤10%。

上述指标与美国、英国、德国、日本、澳大利亚的数值比较接近，但略大一些，其原因主要是考虑我国的实际国情。

按实际运行经验，如果谐波在下列范围内，一般可以正常使用：

1）对于电动机：谐波值在10%～20%电子开关值，但当>20%时要误动作。

2）对于仪表：电压畸变<10%，电流畸变<10%，这时误差<1%。

3）对于计算机：超过5%要产生干扰。

5.谐波干扰常用的对策

谐波的传播途径是传导和辐射：解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离；解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。

1）在变频器输入端加装滤波器以防止对共电源的其他电子设备引起干扰，在输出端加装滤波器时使送出的电源波形为正弦波。

2）改善PWM调制方法，降低谐波含量。

3）减少PWM控制谐波的低频部分，在采用IGBT的PWM变频器中，载波中考虑了开关损耗死区时间引起的电流波形畸变以及输出电压线性等，一般设在10～15kHz。为此，如果减少载频附近的谐波分量，就可使谐波的主要分量移至音频以外，从而大幅度地减少电磁噪声。

4）采用控制电压矢量改善PWM控制的输出波，采用空间矢量表示法把三相量作为一个整体处理，与基准矢量幅值、方向相同的两个空间调节矢量，可以得到合成输出及低的输出波形。

5）电压变极谐波消除法，此法是将输出电压的极性在半个周期内切换次数以造成谐波频谱的改变，以消除对系统造成危害的低次谐波。

6）用闭环控制的方法（如ADSM及DSMC）来改善一般传统PWM控制方法所产生的谐波现象。

为了防止干扰，可采用如图9-5所示的方案。

图9-5 防止干扰对策配线图

变频器本身用铁壳屏蔽好，既能屏蔽交流调速系统向外辐射能量，又能防止外界电磁波进入。输出线用钢管屏蔽好，并与其他弱信号分别配线，附近的其他灵敏电子设备线路也要屏蔽好，电源端要采用隔离变压器、电源滤波器以避免传播干扰。为了解决电动机过热和电磁噪声，可以配置输出滤波器。滤波器一般采用无源滤波器，使用无源滤波器的目的在于允许特定频率的信号通过。阻止干扰信号沿着电源线传输并进行阻抗变换，使干扰信号不能通过地线传播而被反射回干扰源。为了减少对电源的污染，可以配置输入滤波器或者零序电感。为了使滤波器能够有效地发挥功效，在安装输入端滤波器时，应尽量靠近变频器安装，并与变频器共基板。若两者距离超过变频器使用说明书规定的标准，则应用绞线进行连接。

变频器在使用过程中，为了防止谐波干扰，除了上述方法外，还应在设计阶段就注意输入输出线路的隔离和配线方式，注意器件的选择和布局、地线的铺设方式等问题。此外，必须结合系统外部的具体条件，如变频器的安装场合、配管配线的施工方法、控制对象的开关浪涌等一系列现场条件，以保证系统能在特定环境中充分发挥功能，实现长期稳定运行。

6.抑制谐波干扰实例

[例1] 某变频切换控制系统，变频器启动运行正常，而邻近液位计读数偏高，一次表输入4mA时，液位显示不是下限值；液位未到设定上限值时，液位计却显示上限，致使变频器接收停机指令，迫使变频器停止运行。这显然是变频器的高次谐波干扰液位计，干扰传播途径是液位计的电源电路或信号线。

解决办法：将液位计的供电电源取自另一供电变压器，谐波干扰减弱，再将信号线穿入钢管敷设，并与变频器主电路线隔开一定距离，经这样处理后，谐波干扰基本抑制，液位计工作恢复正常。

[例2] 某变频控制液位显示系统，液位计与变频器在同一个柜体安装，变频器工作正常，而液位计显示不准且不稳，起初我们怀凝一次表、二次表、信号线及流体介质有问题，更换所有这些仪表、信号电缆，并改善流体特性，故障依然存在，而这故障就是变频器的高次谐波电流通过输出回路电缆向外辐射，传递到信号电缆，引起干扰。

解决办法：液位计信号线及其控制线与变频器的控制线及主电路线分开一定距离，且柜体外信号线穿入钢管铺设，外壳良好接地，故障排除。

防止谐波干扰的有效对策

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