浅论变频器谐波的干扰及其抑制方法

摘要:实际使用过程中,经常遇到变频器谐波干扰问题。本文从变频器本身分析变频器谐波产生的原因及其干扰危害,在此基础上提出了抑制谐波的常用方法。

关键词:变频器;谐波;抑制

中图分类号:TN773文献标识码:A 文章编号:1673-0992(2010)02-039-01

变频调速以其优异的调速和其制动性能,高效率、高功率因数和节电效果,广泛地适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。但是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,而且直接干扰控制系统的稳定运行,并且造成传输信号的失真,甚至导致供电变压器的保护系统产生误报警和误动作,因此有必要对变频器应用系统中的干扰问题进行探讨。

1变频器的分类

从结构来看,变频器可分为间接变频和直接变频两类。间接变频将工频电流通过整流器变成直流,然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流;直接变频器则将工频交流变换成可控频率的交流,没有中间的直流环节。

它的每相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正反两组按一定周期相互切换,在负荷上就获得了交变输出的电压U0,U0的幅值决定于各整流装置的控制角,频率决定于两组整流装置的切换频率。目前应用较多的还是间接变频器,间接变频有三种不同的结构形式:

1.1用可控整流器变压,用逆变器变频,调压和调频分别是在两个环节上进行,两者要在控制电路上协调配合。

1.2用不控整流器整流斩波器变压、逆变器变频,这种变频器整流环节用斩波器,用脉宽调压。

1.3用不控整流器整流,PWM逆变器同时变频,这种变频器只有采用可控关断的全控式器件(如IGBT等)输出波形才会非常逼真的正弦波。

2变频器谐波产生机理及干扰

变频器的主电路一般为交――直――交组成,外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥式不可控整流成直流电压信号,经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。

2.1 输入侧产生谐波机理

由于变频器电源侧的整流回路大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件,变频器从电网中吸取能量的方式不是连续的正弦波,而是以脉动的方式向电网索取电流,这种脉动电流反馈回电网,与系统阻抗形成脉动电压,与电网中原有电压叠加,使得电网电压波形发生畸变。这种非同期正弦波电流,是由频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成,其中,高次谐波将干扰输入供电系统。输出侧产生谐波机理:在逆变输出回路中,输出电压和电流均有谐波。这是由于在逆变过程中利用高速半导体开关来产生一定宽度和极性的PWM控制信号,这种具有逆变沿的脉冲信号会对其他设备产生很大的干扰。

2.2 谐波产生干扰的传播途径

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:一是电磁感应方式,这是电流干扰信号的主要方式;二是静电感应方式,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。

3抑制变频器谐波干扰的措施方法

3.1 在变频器输入侧的对策

3.1.1变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立,或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器,切断谐波电流。

3.1.2设置交流电抗器。在电源与变频器输入侧之间串联交流电抗器,这样可使整流阻抗增大来有效抑制高次谐波电流,提高输入电源的功率因数,使进线电流的波形畸变大约降低30%～50%,是不加电抗器谐波电流的一半左右。

3.1.3设置交流滤波器。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频率较高的谐波电流。目前谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器。它串联或是并联于主电路中,实时从补偿对象中检测出谐波电流,由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流,从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,其特性不受系统的影响,无谐波放大的危险,因而备受关注。

3.2采用多相脉冲整流

在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下,可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%,满足国际标准的要求。缺点是需要专用变压器,不利于设备的改造,价格较高。

3.3屏蔽干扰源

屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽,不让其电磁干扰泄漏;输出线最好用钢管屏蔽,特别是以外部信号控制变频器时,要求信号线尽可能短(一般为20m以内),且信号线采用双芯屏蔽,并与主电路线(AC380V)及控制线(AC220V)完全分离,决不能放于同一配管或线槽内,周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效,屏蔽罩必须可靠接地。正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰,又能降低设备本身对外界的干扰。对于变频器,主回路端子PE的正确接地是减小变频器干扰的重要手段,因此在实际应用中一定要非常重视。变频器接地导线的截面积一般应不小于2.5mm,长度控制在20m以内。建议变频器的接地与其他动力设备接地点分开,不能共地。

4结论

为了确保变频器系统的安全运行,减小变频器电磁噪声对周边设备的干扰,应将变频器系统的电磁兼容性、抗电磁干扰能力及降低电磁干扰等,作为变频器系统设计、制造、施工安装中综合考虑的重要部分,须符合相关电磁兼容性标准和规范要求。■

参考文献

[1]魏韶刚.工业变频器原理及应用[M]. 北京:电子工业出版社,2006

[2]吴忠智、吴加林.变频器应用手册[M]. 北京:机械工业出版社,2004