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电气知识讲解:如何应对变频器谐波干扰问题

2019.12.30

由于变频器中普遍有晶闸管、整流二极管及大功率IGBT开关等非线性元器件,在使用中会产生大量谐波,从而干扰周围电器正常运行。如果变频器的干扰问题解决不好,不但系统无法可靠运行,还会影响其他电子、电气设备的正常工作,因此有必要对变频器应用系统中的干扰问题进行探讨。下面通意达小编为大家介绍变频器谐波干扰的产生及应对办法。

 

一、变频谐波干扰的产生

 

变频器的主电路一般由交--交组成,外部输入的380 V/50 Hz 的工频电源经三相桥路晶闸管整流成直流电压信号后,经滤波电容滤波及大功率晶体管开关器件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中,输入电流的波形为不规则的矩形波,波形按傅里叶级数分解为基波和各次谐波,其中的高次谐波将干扰输入供电系统。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,对于GTR 大功率逆变器件,其PWM的载波频率为2耀3 kHz,而IGBT大功率逆变器件的PWM最高载频可达15 kHz。同样,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,而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射,干扰邻近电气设备

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此外,交-交型变频器通过一套可关断晶闸管和斩波技术,不经过整流这个环节,把电网工频直接变成交流调速电机所需要的交流频率。交-交型变频器除了向电网系统注入高次谐波外,还注入谐间波(即频率不是工频倍数)电流。谐波电流的频率和含量随电机的工况变化而变化。

 

变频器能产生功率较大的谐波,对系统其他设备干扰性较强,其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的,主要分传导(即电路耦合)、电磁辐射、感应耦合。具体为:首先对周围的电子、电气设备产生电磁辐射,这是频率很高的谐波分量的主要传播方式;其次对直接驱动的电动机产生电磁噪声,使得电机铁耗和铜耗增加;并传导干扰到电源,通过配电网络传导给系统其他设备,这是变频器输入电流干扰信号的主要传播方式;最后变频器对相邻的其他线路产生感应耦合,感应出干扰电压或电流,感应的方式又有两种:即电磁感应方式,这是电流干扰信号的主要方式;静电感应方式,这是电压干扰信号的主要方式。同样,系统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。

  

、减少变频器谐波对其它设备影响的方法

 

1.增加交流/直流电抗器

 

采用交流/直流电抗器后,进线电流的THDv大约降低30%~50%,是不加电抗器谐波电流的一半左右。

 

2.多相脉冲整流

 

在条件具备,或者要求产生的谐波限制在比较小的情况下,可以采用多相整流的方法。12相脉冲整流THDv大约为10%~15%,18相脉冲整流的THDv约为3%~8%,满足EN61000-3-12IEEE519-1992严格标准的要求。缺点是需要专用变压器和整流器,不利于设备改造,价格较高。

 

3.无源滤波器

 

采用无源滤波器后,满载时进线中的THDv可降至5%~10%,满足EN61000-3-12IEEE519-1992的要求,技术成熟,价格适中。适用于所有负载下的THDv<30%的情况。缺点是轻载时功率因数会降低。

 

4.输出电抗器

 

也可以采用在变频器到电动机之间增加交流电抗器的方法,主要目的是减少变频器的输出在能量传输过程中,线路产生的电磁辐射。该电抗器必须安装在距离变频器最近的地方,尽量缩短与变频器的引线距离。如果使用铠装电缆作为变频器与电动机的连线时,可不使用这方法,但要做到电缆的铠在变频器和电动机端可靠接地,而且接地的铠要原样不动接地,不能扭成绳或辨,不能用其它导线延长,变频器侧要接在变频器的地线端子上,再将变频器接地。

 

、减少或削弱变频器谐波及电磁辐射对设备干扰的方法

 

上面介绍的方法是减少变频器工作时对外设备的影响,但并不是消除了变频器的对外干扰,如果想进一步提高其它设备对变频器谐波和电磁辐射的免疫能力,尤其是在变频器(品牌不同,产生的干扰程度可能不一样)干扰较严重的场合中常用的方法通常有以下几种:

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1.使用隔离变压器

 

使用隔离变压器主要是应对来自于电源的传导干扰。使用具有隔离层的隔离变压器,可以将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前。同时还可以兼有电源电压变换的作用。隔离变压器常用于控制系统中的仪表、PLC,以及其它低压小功率用电设备的抗传导干扰。

 

2.使用滤波模块或组件

 

目前市场中有很多专门用于抗传导干扰的滤波器模块或组件,这些滤波器具有较强的抗干扰能力,同时还具有防止用电器本身的干扰传导给电源,有些还兼有尖峰电压吸收功能,对各类用电设备有很多好处。

 

   常用的为双孔磁芯滤波器的结构。还有单孔磁芯的滤波器,其滤波能力较双孔的弱些,但成本较低。

 

3.选用具有开关电源的仪表等低压设备

 

一般开关电源的抗电源传导干扰的能力都比较强,因为在开关电源的内部也都采用了有关的滤波器。因此在选用控制系统的电源设备,或者选用控制用电器的时候,尽量采用具有开关电源类型的。

 

4.作好信号线的抗干扰

 

信号线承担着检测信号和控制信号的传输任务,毋庸置疑,信号传输的质量直接影响到整个控制系统的准确性、稳定性和可靠性,因此做好信号线的抗干扰是十分必要的。

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   对于信号线上的干扰主要是来自空间的电磁辐射,有常态干扰和共模干扰两种。

 

1)常态干扰的抑制

 

   常态干扰是指叠加在测量信号线上的干扰信号,这种干扰大多是频率较高的交变信号,其来源一般是耦合干扰。抑制常态干扰的方法有:

 

   ①在输入回路接RC滤波器或双T滤波器。

 

   ②尽量采用双积分式A/D转换器,由于这种积分器工作的特点,具有一定的消除高频干扰的作用。

 

   ③将电压信号转换成电流信号再传输的方式,对于常态的干扰有非常强的抑制作用。

 

2)共模干扰的抑制

 

   共模干扰是指信号线上共有的干扰信号,一般是由于被测信号的接地端与控制系统的接地端存在一定的电位差所制,这种干扰在两条信号线上的周期、幅值基本相等,所以采用上面的方法无法消除或抑制。对共模干扰的抑制方法如下:

 

    ①采用双差分输入的差动放大器,这种放大器具有很高的共模抑制比。

 

   ②把输入线绞合,绞合的双绞线能降低共模干扰,由于改变了导线电磁感应e的方向,从而使其感应互相抵消。

 

   ③采用光电隔离的方法,可以消除共模干扰。

 

   ④使用屏蔽线时,屏蔽层只一端接地。因为若两端接地,由于接地电位差在屏蔽层内会流过电流而产生干扰,因此只要一端接地即可防止干扰。

 

   无论是为了抑制常态干扰还是抑制共模干扰,都还应该做到以下几点:

 

  (1)输入线路要尽量短。

 

  (2)配线时避免和动力线接近,信号线与动力线分开配线,把信号线放在有屏蔽的金属管内,或者动力线和信号线分开距离要在40cm以上。

 

  (3)为了避免信号失真,对于较长距离传输的信号要注意阻抗匹配。

 

5.在使用以单片机、PLC、计算机等为核心的控制系统中,编制软件的时候,可以适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波,以增强系统自身的抗干扰能力。

 

总结:干扰的分布参数是很复杂的,因此在抗干扰时,应当采用适当的措施,既要考虑效果,又要考虑价格因素,还要因现场情况而定。采用的措施只要能解决问题即可,往往过多的抗干扰措施有可能会产生额外的干扰,具体情况具体解决。

 


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