發布日期：2022-10-09 點擊率：252
［摘要］：本文對變頻器的諧波產生機理、諧波干擾途徑、諧波干擾的危害以及抑制諧波干擾常用的方法進行了分析，同時給出了抑制諧波干擾的幾個典型實例。
［關鍵詞］：變頻器 諧波 干擾 信號隔離器
1引言
近年來，由于調速和節能的需要，越來越多的場合用到了變頻調速技術。其中的核心部分變頻器是電力電子器件，有電子元器件，計算機芯片，易受外界的一些電氣干擾，因此，變頻器投入電網運行時，需要考慮電網電壓是否對稱，變壓器容量的大小及配電母線上是否接有非線性設備等；另一方面，變頻器本身輸入側是一個非線性整流電路，對電源的波形將有影響，變頻器輸出側電壓、電流、非正弦或非完全正弦波含有豐富的諧波。由于變頻器中要進行大功率二極管整流、大功率晶體管逆變，結果是在輸入輸出回路產生電流高次諧波，干擾供電系統、負載及其它鄰近電氣設備。在實際使用過程中，經常遇到變頻器諧波干擾問題，下面簡單介紹變頻器諧波產生的機理、干擾途徑、危害以及有效防止或抑制干擾的對策。
2變頻器諧波產生機理
變頻器的主電路一般為交-直-交組成，外部輸入380V／50Hz的工頻電源經三相橋式不可控整流成直流電壓信號，經濾波電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可變的交流信號。
輸入側產生諧波機理：不限于通用變頻器，晶閘管供電的直流電動機、無換向器電動機等凡是在電源側有整流回路的，都將產生因其非線性引起的諧波。在三相橋式整流回路中，輸入電流的波形為矩形波，波形按傅立葉級數分解為基波和各次諧波，通常含有6n+1(n=l，2，3…．)次諧波。其中的高次諧波將干擾輸入供電系統。
輸出側產生諧波機理：在逆變輸出回路中，輸出電壓和電流均有諧波。對于PWM控制的變頻器，只要是電壓型變頻器，不管是何種PWM控制，其輸出電壓波形為矩形波。其中諧波頻率的高低是與變頻器調制頻率有關，調制頻率低(如1～2KHz)，人耳聽得見高次諧波頻率產生的電磁噪聲(尖叫聲)。若調制頻率高(如 IGBT變頻器可達20KHz)，人耳聽不見，但高頻信號是客觀存在。從電壓方波及電流正弦鋸齒波，用傅立葉級數不難分析出各次諧波的含量。所以，輸出回路電流信號也可分解為只含正弦波的基波和其它各次諧波，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，干擾鄰近電氣設備。
3諧波干擾途徑
變頻器諧波干擾途徑還是與一般無線電干擾一樣分傳導和輻射，在傳導的過程中，與變頻器輸出線平行敷設的導線又會產生電磁耦合形成感應干擾；變頻器輸出側諧波又會輻射，對附近的無線電設備產生干擾，其干擾途徑如圖1所示。
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4諧波干擾的危害
(1)變壓器：電流諧波將增加銅損，電壓諧波將增加鐵損，綜合效果是使變壓器溫度上升，影響其絕緣能力，并造成容量裕度減小。諧波也可能引起變壓器繞組及線間電容之間的共振，及引起鐵心磁通飽和或歪斜，而產生噪聲。
(2)電動機：輸出諧波對電動機的影響主要有，引起電動機附加發熱，導致電動機的額外溫升，電動機往往要降額使用，由于輸出波形失真，增加電動機的重復峰值電壓，影響電動機的絕緣，諧波還會引起電動機轉矩脈動，以及噪聲增加。
(3)電力電容器組：一般電容器的標準規范，規定其最大電流只允許35％的超載，但實際運轉時，由于諧波的影響，以致常發生嚴重過載。由于電容器之阻抗，隨頻率的增加而減少，故諧波產生時，電容器即成為一陷流點，流入大量電流，因而導致過熱、增加介電質的應力，甚至損壞電力電容器。當電容器與線路阻抗達到共振條件時，會發生振動短路、過電流及產生噪聲。
(4)開關設備：由于諧波電流的存在，開關設備在起動瞬間產生很高di／dt的電流變化率，致使增加暫態恢復電壓的峰值，以致破壞絕緣。
(5)保護電器：電流中含有諧波，必產生額外的轉矩，改變電器的動作特性，以致引起誤動作。
(6)計量儀表：電能表等計量儀表，因諧波而會造成感應轉盤產生額外的電磁轉矩，引起誤差，降低精確度。
(7)電力電子設備：在多種場合，電子設備常會產生諧波的電流源，且很容易感受諧波失真而誤動作。
(8)其它還有如照明設備、通信設備、電視及音響設備、電腦設備、載頻遙控設備等都容易受諧波的干擾而影響其正常的工作或減少其使用壽命。
5抑制諧波干擾的對策
諧波的傳播途徑是傳導和輻射，解決傳導干擾主要是在電路中把傳導的高頻電流濾掉或者隔離；解決輻射干擾就是對輻射源或被干擾的線路進行屏蔽。具體的常用方法有：
5.1在變頻器輸入側的對策：
(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)設置交流電抗器。
(3)設置交流濾波器。
(4)整流器的多重化技術，對于大容量晶閘管變頻器可以采取這種方法，將電源側整流器分兩個，在其輸入側裝設Y，y-d或D,y-d繞組聯結的變壓器，利用多重化抑制流向電源側的高次諧波。因為需要將整流器分開，所以在通用變頻器中不采用［１］。
5.2在變頻器輸出側的對策
防止輸出側諧波干擾的對策，大致分為兩大類，第一類屬傳統式，即向降低雜訊大小入手；第二類屬于新嘗試，其基本的觀念及作法是企圖將無意義的雜訊轉變為可選擇的咨詢。這種方法在試驗中證實了其有效性［２］。其中第一類方法可分為：
(1)采用高于人耳不能聽到的開關頻率高的電力電子器，如MOSFET，IGBT等；
(2)在變頻器輸出端后加裝濾波器使送至電力設備前的電源波形為正弦波；
(3)改善PWM調制方法，降低諧波含量；
(4)用閉環控制的方法，如ADSM及DSMC，來改善一般傳統PWM的諧波現象。
另外，在電動機和變頻器之間的電纜應穿鋼管敷設或用鎧裝電纜，并與其它弱電信號在不同的電纜溝分別敷設，避免輻射干擾。
信號線采用屏蔽線，且布線時與變頻器主回路控制線錯開一定距離(至少20cm以上)，切斷輻射干擾。
變頻器使用專用接地線，且用粗短線接地，鄰近其他電器設備的地線必須與變頻器配線分開，使用短線。這樣能有效抑制電流諧波對鄰近設備的輻射干擾［３］。
6抑制諧波干擾實例
例1，某變頻切換控制系統，變頻器啟動運行正常，而鄰近液位計讀數偏高，一次表輸入4mA時，液位顯示不是下限值；液位未到設定上限值時，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干擾液位計，干擾傳播途徑是液位計的電源回路或信號線。解決辦法：將液位計的供電電源取自另一供電變壓器，諧波干擾減弱，再將信號線穿入鋼管敷設，并與變頻器主回路線隔開一定距離，經這樣處理后，諧波干擾基本抑制，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，起初我們懷疑一次表、二次表、信號線及流體介質有問題，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，而這故障就是變頻器的高次諧波電流通過輸出回路電纜向外輻射，傳遞到信號電纜，引起干擾。
解決辦法：液位計信號線及其控制線與變頻器的控制線及主回路線分開一定距離，且柜體外信號線穿入鋼管敷設，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，工作正常，兩臺同時運行時，頻率互相干擾，即調節一臺變頻器的電位器對另一臺變頻器的頻率有影響，反過來也一樣。開始我們認為是電位器及控制線故障，排除這種可能后，斷定是諧波干擾引起。
解決辦法：把其中一只電位器移到其他柜體固定，且引線用屏蔽信號線，結果干擾減弱。為了徹底抑制干擾，重新加工一個電控柜，并與原柜體一定距離放置，把其中的一臺變頻器移到該電控柜，相應的接線及引線作必要的改動，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，原先機泵是靠自耦降壓啟動工頻運行正常，現改為變頻運行，雖能實現調頻減速功能，但變頻器輸出端到電動機間的輸出線嚴重發熱，電動機外殼溫升加重，經常出現保護跳閘。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和電動機繞線上形成附加功率損耗。
解決辦法：把變頻器輸入線與輸出線分開，分別走各自的電纜溝，選用大一號截面的電纜換原先電纜，輸出端與電動機之間的電纜長度盡可能短。這樣處理后，發熱故障排除。對現場出現的各種變頻器高次諧波干擾，基本上都能照以上介紹的方法順利抑制，但對諧波成分及幅度要求很嚴的設備，徹底抑制高次諧波干擾非常困難，比較好的方法是在變頻器的輸出端加濾波器和隔離變壓器，在現實應用中效果比價明顯。
