變頻器的諧波干擾與抑制

0 引言

由于電力電子器件的非線(xiàn)性，變頻器在通過(guò)電力電子器件進(jìn)行AC-DC-AC 的變換過(guò)程中，將在變頻器的輸入輸出回路中產(chǎn)生高次諧波電流，干擾供電系統、負載及其他鄰近電氣設備。在實(shí)際使用過(guò)程中，經(jīng)常遇到變頻器諧波干擾問(wèn)題，下面簡(jiǎn)單介紹諧波產(chǎn)生的機理、傳播途徑及有效抑制干擾的方法。

1 變頻器諧波產(chǎn)生機理

變頻器的主電路一般為交- 直- 交變換電路，外部輸入380 V/50 Hz 的工頻電源通過(guò)三相橋式不可控整流電路整流成直流電壓，經(jīng)濾波電容濾波后再經(jīng)大功率晶體管開(kāi)關(guān)器件逆變?yōu)轭l率與電壓可調的交流電壓。在整流回路中，輸入電流的波形為不規則的矩形波，按傅里葉級數可分解為基波和各次諧波，其中的諧波將干擾輸入供電系統。在逆變輸出回路中，輸出電流信號是受PWM載波信號調制的脈沖波形，對于GTR大功率逆變器件，其PWM 的載波頻率為2～3 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(guò)電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設備。

2 抑制諧波干擾常用的方法

諧波的傳播途徑是傳導和輻射，解決傳導干擾主要是對通過(guò)電路傳導的高頻電流進(jìn)行濾波或者隔離;解決輻射干擾就是對輻射源或被干擾的線(xiàn)路進(jìn)行屏蔽。具體常用方法有：

1)變頻系統的供電電源與其他設備的供電電源相互獨立，或在變頻器和其他用電設備的輸入側安裝隔離變壓器，切斷諧波電流;

2)在變頻器輸入側與輸出側串接合適的電抗器，或安裝諧波濾波器，濾波器的組成必須是LC型，吸收諧波和增大電源或負載的阻抗，達到抑制諧波的目的;

3)電動(dòng)機和變頻器之間的電纜應穿鋼管敷設或用鎧裝電纜，并與其他弱電信號在不同的電纜溝分別敷設，避免輻射干擾;

4)信號線(xiàn)采用屏蔽線(xiàn)，且布線(xiàn)時(shí)與變頻器主回路控制線(xiàn)錯開(kāi)一定距離(至少20 cm 以上)，切斷輻射干擾;

5)變頻器使用專(zhuān)用接地線(xiàn)，且用粗短線(xiàn)接地，鄰近其他電氣設備的地線(xiàn)必須與變頻器配線(xiàn)分開(kāi)，使用短線(xiàn)，這樣能有效抑制電流諧波對鄰近設備的輻射干擾。

3 抑制諧波干擾實(shí)例

例1 某變頻切換控制系統，變頻器啟動(dòng)運行正常，而鄰近液位計讀數偏高，一次表輸入4 mA時(shí)，液位計顯示不是下限值;液位未到設定上限值時(shí)，液位計卻顯示上限，致使變頻器接收停機指令，迫使變頻器停止運行。這顯然是變頻器的高次諧波在干擾液位計，干擾傳播途徑是液位計的電源回路或信號線(xiàn)。

解決辦法將液位計的供電電源取自另一供電變壓器，減弱諧波干擾，再將信號線(xiàn)穿入鋼管敷設，并與變頻器主回路線(xiàn)隔開(kāi)一定距離，經(jīng)這樣處理后，諧波干擾基本被抑制，液位計工作恢復正常。

例2 某變頻控制液位顯示系統，液位計與變頻器在同一個(gè)柜體安裝，變頻器工作正常，而液位計顯示不準且不穩，起初我們懷凝一次表、二次表、信號線(xiàn)及流體介質(zhì)有問(wèn)題，更換所有這些儀表、信號電纜，并改善流體特性，故障依然存在，經(jīng)分析故障就是變頻器的高次諧波電流通過(guò)輸出回路電纜向外輻射，傳遞到信號電纜，從而引起干擾。

解決辦法液位計信號線(xiàn)及其控制線(xiàn)與變頻器的控制線(xiàn)及主回路線(xiàn)分開(kāi)一定距離，且柜體外信號線(xiàn)穿入鋼管敷設，外殼良好接地，故障排除。

例3 某變頻控制系統，由兩臺變頻器組成，且在同一柜體內，變頻器調頻方式均為電位器手調方式，運行某一臺變頻器時(shí)，工作正常，兩臺同時(shí)運行時(shí)，頻率互相干擾，即調節一臺變頻器的電位器時(shí)對另一臺變頻器的頻率有影響，反過(guò)來(lái)也一樣。開(kāi)始我們認為是電位器及控制線(xiàn)故障，排除這種可能后，斷定故障是諧波干擾引起的。

解決辦法把其中一只電位器移到其他柜體固定，且引線(xiàn)用屏蔽信號線(xiàn)，結果干擾減弱。為了徹底抑制干擾，重新加工一個(gè)電控柜，并與原柜體保持一定距離放置，把其中的一臺變頻器移到該電控柜，相應的接線(xiàn)及引線(xiàn)作必要的改動(dòng)，這樣處理后，干擾基本消除，故障排除。

例4 某變頻控制系統，切換兩套機泵，原機泵是靠自耦降壓?jiǎn)?dòng)，工頻運行正常，現改為變頻運行，雖能實(shí)現調頻減速功能，但變頻器輸出端到電動(dòng)機間的輸出線(xiàn)嚴重發(fā)熱，電動(dòng)機外殼溫升過(guò)高，經(jīng)常出現保護跳閘。這是由于變頻器輸出電壓和電流信號中包含PWM高次諧波，而諧波電流在輸出導線(xiàn)和電動(dòng)機繞線(xiàn)上形成附加功率損耗所造成的。

解決辦法把變頻器輸入線(xiàn)與輸出線(xiàn)分開(kāi)，分別走各自的電纜溝，選用大一號截面的電纜更換原電纜，輸出端與電動(dòng)機之間的電纜長(cháng)度盡可能短。這樣處理后，發(fā)熱故障排除。

4 結語(yǔ)

對現場(chǎng)出現的各種變頻器高次諧波干擾，基本上都能按以上介紹的方法順利抑制，但對諧波成分及幅度要求很?chē)赖脑O備，徹底抑制高次諧波干擾非常困難，有待進(jìn)一步攻關(guān)解決。