变频器谐波干扰的形成及抑制措施

文:丁云飞2017年第四期

1、序言

    随着工业自动化的飞速发展,交流调速控制系统因其具有的起动平稳、功率因数高、调速范围宽等优点,在各个行业均已成功应用,虽然变频器在工业生产及自动化控制方面具有无可比拟的优越性,但是由于变频器本身的结构中要进行三相桥式整流、大功率晶体管(IGBT)逆变,结果导致在输入输出回路产生高次谐波电流,对交流电网、负载及同电网中其他电气设备产生干扰,尤其是在对抗干扰水平要求比较高的仪表、计算机控制系统等应用中,谐波干扰问题尤为突出。

2、变频器谐波的形成

    谐波是指由于正弦电压加压于非线性负载,基波电流发生畸变而产生的谐波。在交流电网中,由于有许多非线性负载的电气设备的投入运行,造成其电压、电流波形实际上已经是有所畸变的非正弦波。变频器谐波是指变频器的整流电路一般采用三相桥式整流电路,当变频器接入已经发生畸变的交流电网,只要电源侧有非线性引起的谐波,输出侧通常就含有高次谐波干扰电网。[1]

图1变频器主电路图

    从变频器的主电路图中可以看出,其主电路由交-直-交方式组成,外部输入220V或380V/50Hz的工频电源经三相整流桥整流成直流电压,经大容量的电解电容滤波及IGBT逆变为频率可变的交流电压。在三相整流电路中,输入电流的波形为不规则的矩形波,波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波,谐波次数通常为6n±1次高次谐波,其中的高次谐波将干扰输入供电系统。

3、高次谐波干扰的危害[2]

    谐波电压和谐波电流的产生,对电网是一种极大的污染,它使得供电系统外的其他用电设备运行条件发生变化,对其工作的稳定性和可靠性甚至使用寿命产生不利影响;干扰系统内的其他电子设备,容易导致电子设备不能可靠的工作,发生故障,影响系统工作的可靠性。变频器谐波对用电设备产生的危害主要表现在以下几个方面:

3.1影响变频器自身的工作性能和使用寿命

    当变频器的输入电压发生畸变,其输入电流峰值就会增大,使得变频器整流电路及滤波电解电容负担加重,容易产生过电压或者过电流,导致变频器不能正常工作。由于变频器本身属于一种电力电子装置,其内部的各种控制电路很容易受谐波失真影响而误动作,从而影响变频器的工作性能和使用寿命。

3.2造成电能的浪费

    高频谐波电流使线路阻抗随着频率的增加而提高,对供电线路产生了附加谐波损耗,造成电能的浪费,并且高频谐波会使电路等效阻抗增加,导致供电线路上的电压降增大,需要增大输出电缆的截面积,增加材料成本。

3.3影响电机的正常工作

    电动机的定子属于感性负载存在分散电容,谐波会引起电动机的额外温升,导致电机的机械效率下降,造成电动机输出转矩降低,长时间处于这种运行状态,会导致电机绕组的介电强度和体积电阻率的下降,引起电机的绝缘强度降低,降低电动机的使用寿命。

3.4对用电设备的影响

    谐波会使如计算机、触摸屏等显示画面发生图形畸变,出现通讯不正常等现象。对于采用单片机控制的一些电子设备,谐波可能使单片机出现死机、莫名其妙复位等故障,或导致输入和输出信号的误动作,影响机器的正常工作,严重时会危害机械设备和人身安全。

4、变频器谐波的抑制对策

    根据上文分析,变频器主回路采用的电子元器件决定了谐波的存在。近年来,人们越来越重视谐波对供电质量的影响,“绿色电网”的呼声也越来越高。为了防止谐波对其他用电设备产生干扰,总的原则是抑制和消除电路中的谐波,切断谐波的传播通道,降低系统对干扰信号的敏感性。在实际应用中,采取的有效措施主要有两大类,一是在电网系统中采用适当的措施抑制或消除谐波,二是对变频装置本身进行改造,使其尽量少产生谐波。

4.1对交流输入电源采取的措施[3]

    在交流输入侧采取的抑制或消除谐波的方式主要有以下几种。

    1)加装隔离变压器,实际应用中,通常把隔离变压器加在输入电源和变频器之间,隔离变压器的一次侧和二次侧两个线圈没有直接的电气连接,通过磁场来进行电-磁-电的转换,这样一来,就把变频器和易受干扰的电气设备隔离开来,这样就降低了电网中的有害谐波成份。

    2)可靠的接地,抑制或者消除谐波最有效的措施是接地,目前很多生产厂家的变频器都采用铁壳,利用机壳进行屏蔽,这样既能屏蔽交流调速系统向外传递谐波,又能防止外界谐波对变频器本身的干扰。

图2多台变频器的接地连接示意图

    3)合理布线,通过对强弱电电缆的合理布线,可以有效的降低动力电缆对控制信号线的干扰。应用中需要注意的是变频器的输入、输出线要和其他设备的控制线保持一定的间距。如果控制线和动力线空间上无法分开,应尽量和变频器的动力电缆垂直交叉。变频器和电动机之间的动力电缆,应尽量使用屏蔽电缆,如果条件允许,动力电缆穿入已经接地的金属管内。信号线尽量使用屏蔽双绞电缆,屏蔽层不论是接公共端还是接地,只能采用单端接地的方式。

    4)加装电抗器,在变频器的供电回路中加装电抗器是一种十分有效的抑制谐波电流的方法。根据电抗器安装的位置,主要分为两种电抗器:直流电抗器和交流电抗器。交流电抗器又称输入电抗器,它安装在变频器的输入侧,可以抑制和减小变频器产生的谐波向电网传递,同时还可以防止电网电压波动和冲击电流对变频器的影响。直流电抗器又称为平波电抗器,直流电抗器串联在变频器的直流回路中。它的功能就是削减电流中的谐波成分,保证整流电流的连续,减小电流的脉动值,提高变频器的功率因数,减少和防止三相整流桥和滤波电容因为冲击电流造成的损坏。

图3电抗器应用原理图

    5)加装滤波器,这种滤波器是传统所说的无源滤波器,这种滤波器只能运行某一频率的电流信号可以顺利的通过,而其他频率段的信号则受到抑制,滤波器实际上是一个选频电路。滤波器根据安装位置的不同分为输入滤波器和输出滤波器。输入滤波器安装在变频器的输入侧,它的主要作用是防止变频器工作时,变频器输入端对电网和其它设备产生的干扰。输出滤波器又叫出线滤波器,安装在变频器的输出和电机之间,它的作用是滤除变频器输出电流中的高次谐波,保护电机,避免电机因为高度浪涌电压造成绝缘破损。

图4滤波器应用原理图

4.2对变频器进行升级

    对变频器本身进行升级,使其减少谐波产生的方式主要有以下几种:

    1)随着技术的不断进步,采用有源滤波器进行谐波抑制是一项十分有效的方法,它用于变频器的主电路中,用于消除主电路的谐波。有源滤波器工作时实时检测电路中的谐波电流,通过数字处理器计算后生成与谐波电流幅值相同、但是极性相反的补偿电流注入电网,对谐波电流进行补偿或抵消,主动消除电路中的谐波成分,从而使电网中的电流只含有基波电流。有源滤波器能对大小和频率都变化的谐波进行实时跟踪补偿,可以同时滤除多次及高次谐波,不会引起谐振,因而受到特别的关注,并在欧洲等国已得到大量的应用。

    2)调整变频器的载波频率,当载波频率提高后,输出电流波形正弦性能变好,毛刺减少,波形光滑,对减少谐波有利,所以适当提高载波频率,对抑制或减少谐波有利。

    3)开发新型变频器,大容量的变频器减少谐波的主要方法是采用多重化技术。多重化技术采用2个或多个逆变单元并联,通过波形叠加抵消谐波分量。采用多重化技术的变频器不但输出电压和流为正弦波,而且输进电流也为正弦波,且功率因数为1。

5、结论

    本文通过对变频器主回路的分析,阐述了谐波产生的原因,并提出了对变频器谐波的抑制措施。但是由于变频器本身的结构决定了变频器产生谐波是不可避免的,在实际应用中我们只能尽可能的抑制谐波和减少谐波对外界的影响。本文只提出一部分变频器谐波的影响和谐波抑制的措施,关于变频器谐波的研究还有很大的探讨空间。

参考文献

    [1]吴忠智,吴加林.变频器应用手册

    [2]钟伟强,叶德云.电力供应紧张与变频调速技术[J].变频器世界,2004,(6):76-78

    [3]王智,变频器谐波干扰的形成及对策

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