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变频器谐波干扰的形成及对策

[日期:2016-08-04] 来源:  作者: [字体: ]

    1 变频器的应用

    变频器是利用电力电子半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能的控制装置。利用变频器拖动电动机,起动电流小,可以实现软起动和大范围的无级调速,方便地对电机转速进行控制,使得电动机的运行符合实际工况需求,节能效果显著,因而变频器在工业生产中得到了越来越广泛的应用。变频器属于电力电子装置,构成它的电子元器件、计算机芯片、数字电路等均易受外界的电磁干扰(EMI),因此,变频器投入电网后,相应的抗干扰设计技术(即电磁兼容性EMC)也已经变得越来越重要。

 

    2 电磁兼容

    电磁兼容EMC(EleCTRo MagnetIC Compatibility)是指电气设备或系统在所处的电磁环境中可靠的发挥其功能,并对该环境中的其他设备或系统不产生不允许的干扰的能力。简单说,也就是变频器投入运行之后,既要防止外界干扰它,也要防止它干扰外界。

    3 外界对变频器产生的干扰

    在交流电网中,由于许多非线性负载的电气设备的投入运行,其电压、电流波形实际上已经是在不同程度有所畸变的非正弦波。畸变的非正弦波通常是周期性电气分量,依据傅里叶级数分析,可分解成基波分量和基波分量整数倍的谐波分量。而变频器的整流器一般采用三相桥式晶闸管整流电路,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。

    4 变频器对外界产生的干扰

    变频器的整流桥和晶闸管逆变电路对于电网来讲就是非线性负载,在逆变输出回路中,输出电流信号是受PWM 载波信号调制的脉冲波形,这样,输出回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的信号,这些谐波除了能构成电源无功损耗的较低次谐波外,还有许多频率很高的谐波成分。

    它们以各种方式将自己的能量传播出去,形成对变频器本身以及电力系统中的其他设备的干扰信号。

    5 高次谐波干扰的危害

    谐波电流和谐波电压的产生,对公用电网是一种污染,它使得系统内用电设备的使用条件恶化,对其工作性能和寿命产生不利影响;对系统内通信系统及电子设备产生干扰,容易干扰通信线路并导致电子设备发生故障。

    谐波对电力设备或电力系统的危害主要表现在:

    1)变压器电流谐波将增加铜损,谐波电压将增加铁损,其综合结果就是使得变压器的温度上升。谐波还可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振,从而产生噪声污染。

    2)变频器当变频器输入电压发生畸变,输入电流峰值增大,就使得变频器整流二极管及电解电容负担加重,容易产生过电压或者过电流,导致变频器的运行不正常。由于变频器属于电力电子装置,很容易感受谐波失真而误动作,从而影响变频器的工作性能和使用寿命。

    3)电动机电机绕组存在杂散电容,谐波主要引起电动机的附加发热,导致电动机的额外温升,使得电动机的机械效率下降。谐波的产生还会引起绕组不均匀处过热导致的绝缘层损坏、电机转矩脉冲及噪声的增加。

    4)供电线路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,并且导体对高频谐波电流的集肤效应使线路的等效阻抗增加,导致线路压降增大,输出电缆的截面要相应增大。

    5)电力电容器工频状态下,电力系统装设的电容器比系统中的感抗要大得多。但在谐波频率较高时,感抗值成倍增加而容抗值大幅减少,这就可能出现谐振,谐振造成异常电流进入电容器,导致电容器过热,绝缘破坏直至烧毁。

    此外,谐波可能导致开关设备、保护电器的误动作,影响计量仪表测量精度。

    6 变频器抗干扰的对策

    一般来说,形成电磁干扰(EMI)必须具备三个要素:电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统。

    6.1 干扰途径

    变频器产生的谐波功率较大,高次谐波的含量丰富,是典型的具有较强干扰性的电磁干扰源。电网中的电力变压器、变频器、电力电容器、电力电子设备、开关、保护电器、照明设备等都是对电磁干扰比较敏感的设备。由于变频器能产生较大功率的谐波,其干扰途径与一般电磁干扰的途径一致,主要分以下几种方式。

    1)电路耦合(传导)方式即通过电网传播。由于输入电流为非正弦波,当变频器的容量足够大时,使电网电压产生一定的畸变,影响其他设备正常工作,同时,输出端产生的传导干扰使直接驱动的电机的损耗大幅增加,影响电机的运转特性。这也是变频器输入电流干扰信号的主要传播方式。

    2)感应耦合方式当变频器的输入电路或输出电路与其他设备靠近时,变频器的高次谐波信号可能通过感应的方式耦合到其他设备中去,造成一定的谐波干扰。电流和电压干扰信号分别通过电磁感应和静电感应的方式耦合。

    3)辐射方式主要以电磁波方式向外辐射,对其他设备造成干扰。这是功率较大且频率很高的谐波分量的主要传播方式。

    6.2 抗干扰措施

    为了防止干扰,总的原则是抑制和消除干扰源,切断干扰对系统的耦合通道,降低系统对干扰信号的敏感性。在实际工程中,采取的措施主要有两大类,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。

    6.2.1 在电网系统中采用的措施

    在电网系统中采用适当的措施抑制或消除谐波的方式主要有以下几种。

    1)干扰隔离是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来,实际工程中,通常在电源和变频器之间是加装隔离变压器以避免传导干扰。隔离变压器一般采用Dyn接线组别的三相变压器,负荷侧的谐波电流在变压器的“角形”绕组中循环,不至流入电网。

    2)屏蔽接地电气装置为了防止其内、外部的电磁感应或静电感应的干扰而对屏蔽体进行接地,称为屏蔽接地。按照功能划分,一般有以下几种:

    (1)静电屏蔽的接地目的是为了把金属屏蔽体上的感应静电干扰信号直接导入地中,同时减少分布电容的寄生耦合,保证人身安全。接地是消除导体上静电的一种有效办法,简单可靠,费用低。

    (2)电磁屏蔽的接地目的是为了减少电磁干扰和静电耦合。

    (3)磁屏蔽的接地目的是为了防止形成环路产生环流而发生电磁干扰。

    通常变频器用自身的机壳屏蔽,能减少电磁干扰,考虑到附属设备较多,线路复杂,宜设置专门的变频柜,对变频柜做可靠接地。这样既能屏蔽交流调速系统向外辐射能量,又能防止外界电磁干扰。

    3)合理布线通过对电气线路的合理布置,能有效削减通过感应方式传播的干扰信号。应用中须注意电气设备的电源和信号线应和变频器的输入和输出线保持足够间距;此外,变频器信号线应采用双芯屏蔽型,并要求信号线尽量短。信号线一般采用钢管屏蔽。

    6.2.2 对变频器进行改造

    对变频装置本身进行改造,使其尽量少产生谐波的方式主要有以下几种。

    1)滤波器在电磁兼容设计中常用的是低通高阻滤波器。它在低频时与电路串联的阻抗很低,与电路并联的阻抗很高;在高频时阻带范围串联阻抗高,而并联阻抗很小。滤波器主要用于抑制变频器产生的电磁干扰噪声的传导,也能抑制外界的电磁干扰以及瞬时冲击、浪涌电流对变频器的干扰。

    依据使用位置的不同,一般可分为输入滤波器和输出滤波器。

    输入滤波器有两种,线路滤波器和辐射滤波器。

    线路滤波器串联在变频器输入侧,由电感线圈组成,通过增大电路的阻抗减小高频率的谐波电流。辐射滤波器并联在电源与变频器输入侧,由高频电容器组成,可以吸收频率较高具有辐射能量的谐波成分,用于降低无线电噪声。

    输出滤波器串联在变频器输出侧,由电感线圈组成,可以减少输出电流中的高次谐波成分,抑制变频器输出侧的浪涌电压,同时可以减小电动机有高频谐波电流时引起的附加转矩。

    2)电抗器在电路中串入电抗器是抑制较低频率谐波电流的有效方式。依据接线位置的不同,主要分交流电抗器和直流电抗器两种。

    交流电抗器串联在电源与变频器的输入侧之间,主要是为了防止电源电网上的干扰。其特点是自身分布电容较小,谐振点避开抑制频率范围,能有效减少干扰电压,同时也能保证供电回路的电压降在2%以内,功耗小。

    直流电抗器是专门用在变频器的直流电路中,直流电抗器的功能较为单一,就是削减输入电流中的高次谐波成分,改善变频器输入的功率因数。直流电抗器在提高功率因数方面比交流电抗器效果明显,且具有结构简单,体积小等优点。

    7 结语

    本文对变频器谐波干扰的产生和抑制作了初步分析,对在工程实践中如何提高系统的抗干扰能力和可靠性作了简单探讨。随着我国经济的发展和科技的进步,对变频器的使用越来越广泛,因此重视变频器的EMC要求,以适应更广泛的工业现场环境,提高系统的工作可靠性已经成为变频调速系统在实际应用中的一个关键问题。


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