變頻器諧波干擾的形成及對策

1 變頻器的應用

　　變頻器是利用電力電子半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能的控制裝置。利用變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機，起動(dòng)電流小，可以實(shí)現軟起動(dòng)和大范圍的無(wú)級調速，方便地對電機轉速進(jìn)行控制，使得電動(dòng)機的運行符合實(shí)際工況需求，節能效果顯著(zhù)，因而變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來(lái)越廣泛的應用。變頻器屬于電力電子裝置，構成它的電子元器件、計算機芯片、數字電路等均易受外界的電磁干擾（EMI），因此，變頻器投入電網(wǎng)后，應的抗干擾設計技術(shù)（即電磁兼容性EMC）也已經(jīng)變得越來(lái)越重要。

2 電磁兼容

　　電磁兼容EMC（Electro Magnetic Compatibility）是指電氣設備或系統在所處的電磁環(huán)境中可靠的發(fā)揮其功能，并對該環(huán)境中的其他設備或系統不產(chǎn)生不允許的干擾的能力。簡(jiǎn)單說(shuō)，也就是變頻器投入運行之后，既要防止外界干擾它，也要防止它干擾外界。

3 外界對變頻器產(chǎn)生的干擾

　　在交流電網(wǎng)中，由于許多非線(xiàn)性負載的電氣設備的投入運行，其電壓、電流波形實(shí)際上已經(jīng)是在不同程度有所畸變的非正弦波?；兊姆钦也ㄍǔＪ侵芷谛噪姎夥至?，依據傅里葉級數分析，可分解成基波分量和基波量整數倍的諧波分量。而變頻器的整流器一般采用三相橋式晶閘管整流電路，當變頻器接入已經(jīng)發(fā)生畸變的交流電網(wǎng)，只要電源側有非線(xiàn)性引起的諧波，輸出側通常就含有高次諧波干擾電網(wǎng)。

4 變頻器對外界產(chǎn)生的干擾

　　變頻器的整流橋和晶閘管逆變電路對于電網(wǎng)來(lái)講就是非線(xiàn)性負載，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，這樣，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的信號，這些諧波除了能構成電源無(wú)功損耗的較低次諧波外，還有許多頻率很高的諧波成分。

　　它們以各種方式將自己的能量傳播出去，形成對變頻器本身以及電力系統中的其他設備的干擾信號。

5 高次諧波干擾的危害

　　諧波電流和諧波電壓的產(chǎn)生，對公用電網(wǎng)是一種污染，它使得系統內用電設備的使用條件惡化，對其工作性能和壽命產(chǎn)生不利影響；對系統內通信系統及電子設備產(chǎn)生干擾，容易干擾通信線(xiàn)路并導致電子設備發(fā)生故障。
諧波對電力設備或電力系統的危害主要表現在：

　　1）變壓器電流諧波將增加銅損，諧波電壓將增加鐵損，其綜合結果就是使得變壓器的溫度上升。諧波還可能引起變壓器繞組及線(xiàn)間電容之間的共振，從而產(chǎn)生噪聲污染。

　　2）變頻器當變頻器輸入電壓發(fā)生畸變，輸入電流峰值增大，就使得變頻器整流二極管及電解電容負擔加重，容易產(chǎn)生過(guò)電壓或者過(guò)電流，導致變頻器的運行不正常。由于變頻器屬于電力電子裝置，很容易感受諧波失真而誤動(dòng)作，從而影響變頻器的工作性能和使用壽命。

　　3）電動(dòng)機電機繞組存在雜散電容，諧波主要引起電動(dòng)機的附加發(fā)熱，導致電動(dòng)機的額外溫升，使得電動(dòng)機的機械效率下降。諧波的產(chǎn)生還會(huì )引起繞組不均勻處過(guò)熱導致的絕緣層損壞、電機轉矩脈沖及噪聲的增加。

　　4）供電線(xiàn)路高頻諧波電流使線(xiàn)路阻抗隨著(zhù)頻率的增加而提高，對供電線(xiàn)路產(chǎn)生了附加諧波損耗，造成電能的浪費，并且導體對高頻諧波電流的集膚效應使線(xiàn)路的等效阻抗增加，導致線(xiàn)路壓降增大，輸出電纜的截面要相應增大。

　　5）電力電容器工頻狀態(tài)下，電力系統裝設的電容器比系統中的感抗要大得多。但在諧波頻率較高時(shí)，感抗值成倍增加而容抗值大幅減少，這就可能出現諧振，諧振造成異常電流進(jìn)入電容器，導致電容器過(guò)熱，絕緣破壞直至燒毀。

　　此外，諧波可能導致開(kāi)關(guān)設備、保護電器的誤動(dòng)作，影響計量?jì)x表測量精度。

6 變頻器抗干擾的對策

　　一般來(lái)說(shuō)，形成電磁干擾（EMI）必須具備三個(gè)要素：電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統。

　　6.1 干擾途徑

　　變頻器產(chǎn)生的諧波功率較大，高次諧波的含量豐富，是典型的具有較強干擾性的電磁干擾源。電網(wǎng)中的電力變壓器、變頻器、電力電容器、電力電子設備、開(kāi)關(guān)、保護電器、照明設備等都是對電磁干擾比較敏感的設備。由于變頻器能產(chǎn)生較大功率的諧波，其干擾途徑與一般電磁干擾的途徑一致，主要分以下幾種方式。

　　1）電路耦合（傳導）方式即通過(guò)電網(wǎng)傳播。由于輸入電流為非正弦波，當變頻器的容量足夠大時(shí)，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生一定的畸變，影響其他設備正常工作，同時(shí)，輸出端產(chǎn)生的傳導干擾使直接驅動(dòng)的電機的損耗大幅增加，影響電機的運轉特性。這也是變頻器輸入電流干擾信號的主要傳播方式。

　　2）感應耦合方式當變頻器的輸入電路或輸出電路與其他設備靠近時(shí)，變頻器的高次諧波信號可能通過(guò)感應的方式耦合到其他設備中去，造成一定的諧波干擾。電流和電壓干擾信號分別通過(guò)電磁感應和靜電感應的方式耦合。

　　3）輻射方式主要以電磁波方式向外輻射，對其他設備造成干擾。這是功率較大且頻率很高的諧波分量的主要傳播方式。

　　6.2 抗干擾措施

　　為了防止干擾，總的原則是抑制和消除干擾源，切斷干擾對系統的耦合通道，降低系統對干擾信號的敏感性。在實(shí)際工程中，采取的措施主要有兩大類(lèi)，一是在電網(wǎng)系統中采用適當的措施抑制或消除諧波，二是對變頻裝置本身進(jìn)行改造，使其盡量少產(chǎn)生諧波。

　　6.2.1 在電網(wǎng)系統中采用的措施

　　在電網(wǎng)系統中采用適當的措施抑制或消除諧波的方式主要有以下幾種。

　　1）干擾隔離是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開(kāi)來(lái)，實(shí)際工程中，通常在電源和變頻器之間是加裝隔離變壓器以避免傳導干擾。隔離變壓器一般采用Dyn接線(xiàn)組別的三相變壓器，負荷側的諧波電流在變壓器的“角形”繞組中循環(huán)，不至流入電網(wǎng)。

　　2）屏蔽接地電氣裝置為了防止其內、外部的電磁感應或靜電感應的干擾而對屏蔽體進(jìn)行接地，稱(chēng)為屏蔽接地。按照功能劃分，一般有以下幾種：

　?。?）靜電屏蔽的接地目的是為了把金屬屏蔽體上的感應靜電干擾信號直接導入地中，同時(shí)減少分布電容的寄生耦合，保證人身安全。接地是消除導體上靜電的一種有效辦法，簡(jiǎn)單可靠，費用低。

　?。?）電磁屏蔽的接地目的是為了減少電磁干擾和靜電耦合。

　?。?）磁屏蔽的接地目的是為了防止形成環(huán)路產(chǎn)生環(huán)流而發(fā)生電磁干擾。

　　通常變頻器用自身的機殼屏蔽，能減少電磁干擾，考慮到附屬設備較多，線(xiàn)路復雜，宜設置專(zhuān)門(mén)的變頻柜，對變頻柜做可靠接地。這樣既能屏蔽交流調速系統向外輻射能量，又能防止外界電磁干擾。

　　3）合理布線(xiàn)通過(guò)對電氣線(xiàn)路的合理布置，能有效削減通過(guò)感應方式傳播的干擾信號。應用中須注意電氣設備的電源和信號線(xiàn)應和變頻器的輸入和輸出線(xiàn)保持足夠間距；此外，變頻器信號線(xiàn)應采用雙芯屏蔽型，并要求信號線(xiàn)盡量短。信號線(xiàn)一般采用鋼管屏蔽。

　　6.2.2 對變頻器進(jìn)行改造

　　對變頻裝置本身進(jìn)行改造，使其盡量少產(chǎn)生諧波的方式主要有以下幾種。

　　1）濾波器在電磁兼容設計中常用的是低通高阻濾波器。它在低頻時(shí)與電路串聯(lián)的阻抗很低，與電路并聯(lián)的阻抗很高；在高頻時(shí)阻帶范圍串聯(lián)阻抗高，而并聯(lián)阻抗很小。濾波器主要用于抑制變頻器產(chǎn)生的電磁干擾噪聲的傳導，也能抑制外界的電磁干擾以及瞬時(shí)沖擊、浪涌電流對變頻器的干擾。

　　依據使用位置的不同，一般可分為輸入濾波器和輸出濾波器。

　　輸入濾波器有兩種，線(xiàn)路濾波器和輻射濾波器。

　　線(xiàn)路濾波器串聯(lián)在變頻器輸入側，由電感線(xiàn)圈組成，通過(guò)增大電路的阻抗減小高頻率的諧波電流。輻射濾波器并聯(lián)在電源與變頻器輸入側，由高頻電容器組成，可以吸收頻率較高具有輻射能量的諧波成分，用于降低無(wú)線(xiàn)電噪聲。

　　輸出濾波器串聯(lián)在變頻器輸出側，由電感線(xiàn)圈組成，可以減少輸出電流中的高次諧波成分，抑制變頻器輸出側的浪涌電壓，同時(shí)可以減小電動(dòng)機有高頻諧波電流時(shí)引起的附加轉矩。

　　2）電抗器在電路中串入電抗器是抑制較低頻率諧波電流的有效方式。依據接線(xiàn)位置的不同，主要分交流電抗器和直流電抗器兩種。

　　交流電抗器串聯(lián)在電源與變頻器的輸