信號隔離器在變頻器諧波干擾防治實例
近年來由于調(diào)速和節(jié)能的需要越來越多的場合用到了變頻調(diào)速技術(shù)。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(jī)芯片易受外界的一些電氣干擾，因此變頻器投入電網(wǎng)運行時需要考慮電網(wǎng)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(shè)備等另一方面變頻器本身輸入側(cè)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(cè)電壓、電流、非正弦或非*正弦波含有豐富的諧波。由于變頻器中要進(jìn)行大功率二極管整流、大功率晶體管逆變結(jié)果是在輸入輸出回路產(chǎn)生電流高次諧波干擾供電系統(tǒng)、負(fù)載及其它鄰近電氣設(shè)備。在實際使用過程中經(jīng)常遇到變頻器變頻器諧波產(chǎn)生的機(jī)理、干擾途徑、危害以及有效防止或抑制干擾的對策。
變頻器的主電路一般為交-直-交組成外部輸入380v50hz的工頻電源經(jīng)三相橋式不可控整流成直流電壓信號經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號。
輸入側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理不限于通用變頻器晶閘管供電的直流電動機(jī)、無換向器電動機(jī)等凡是在電源側(cè)有整流回路的都將產(chǎn)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(shù)分解為基波和各次諧波有6n+1(n=l23…)次諧波。其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。
輸出側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)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(diào)制頻率有關(guān)調(diào)制頻率低(如12khz)人耳聽
得見高次諧波頻率產(chǎn)生的電磁噪聲(尖叫聲)。若調(diào)制頻率高(如igbt變頻器可達(dá)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(shù)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(fù)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(shè)備。
變頻器諧波干擾途徑還是與一般無線電干擾一樣分傳導(dǎo)和輻射在傳導(dǎo)的過程中與變頻器輸出線平行敷設(shè)的導(dǎo)線又會產(chǎn)生電磁
耦合形成感應(yīng)干擾變頻器輸出側(cè)諧波又會輻射對附近的無線電設(shè)備產(chǎn)生干擾其干擾途徑如圖1所示。
(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(chǎn)生噪聲。
(2)電動機(jī)
輸出諧波對電動機(jī)的影響主要有引起電動機(jī)附加發(fā)熱導(dǎo)致電動機(jī)的額外溫升電動機(jī)往往要降額使用由于輸出波形失真增加電動機(jī)的重復(fù)峰值電壓，影響電動機(jī)的絕緣。諧波還會引起電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動以及噪聲增加。
(3)電力電容器組
一般電容器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定其zui大電流只允許35的超載但實際運轉(zhuǎn)時由于諧波的影響，以致常發(fā)生嚴(yán)重過載。由于電容器之阻抗隨頻率的增加而減少故諧波產(chǎn)生時電容器即成為一陷流點流入大量電流；因而導(dǎo)致過熱、增加介電質(zhì)的應(yīng)力甚至損壞電力電容器。當(dāng)電容器與線路阻抗達(dá)到共振條件時會發(fā)生振動短路、過電流及產(chǎn)生噪聲。
(4)開關(guān)設(shè)備
由于諧波電流的存在，開關(guān)設(shè)備在起動瞬間產(chǎn)生生很高di，dt的電流變化率致使增加暫態(tài)恢復(fù)電壓的峰值以致破壞絕緣。
(5)計量儀表
電能表等計量儀表因諧波而會造成感應(yīng)轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩引起誤差，降低度。
(6)電力電子設(shè)備
在多種場合電子設(shè)備常會產(chǎn)生諧波的電流源，且很容易感受諧波失真而誤動作。
(7)其它還有如照明設(shè)備、通信設(shè)備、電視及音響設(shè)備、電腦設(shè)備、載頻遙控設(shè)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。
抑制諧波干擾的對策
諧波的傳播途徑是傳導(dǎo)和輻射解決傳導(dǎo)干擾主要是在電路中把傳導(dǎo)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(jìn)行屏蔽。具體的常用方法有：
在變頻器輸入側(cè)的對策
(1)變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設(shè)備的供電電源相互獨立或在變
頻器和其他用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器切斷諧波電流。
(2)設(shè)置交流電抗器。
(3)設(shè)置交流濾波器。
(4)整流器的多重化技術(shù)對于大容量晶閘管變頻器可以采取這種方法將電源側(cè)整流器分兩個在其輸入側(cè)裝設(shè)yy-d或d,y-d
繞組聯(lián)結(jié)的變壓器利用多重化抑制流向電源側(cè)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。
在變頻器輸出側(cè)的對策
防止輸出側(cè)諧波干擾的對策大致分為兩大類
*類屬傳統(tǒng)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(zhuǎn)變?yōu)榭蛇x擇的咨詢。這種方法在
試驗中證實了其有效性。其中*類方法可分為：
(1)采用高于人耳不能聽到的開關(guān)頻率高的電力電子器如mosfetigbt等
(2)在變頻器輸出端后加裝濾波器使送至電力設(shè)備前的電源波形為正弦波
(3)改善pwm調(diào)制方法降低諧波含量
(4)用閉環(huán)控制的方法如adsm及dsmc來改善一般傳統(tǒng)pwm的諧波現(xiàn)象。
另外在電動機(jī)和變頻器之間的電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)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(shè)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。
變頻器使用接地線且用粗短線接地鄰近其他電器設(shè)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(shè)備的輻射干擾。
例1某變頻切換控制系統(tǒng)變頻器啟動運行正常而鄰近液位計讀數(shù)偏高一次表輸入4ma時液位顯示不是下限值液位未
到設(shè)定上限值時液位卻顯示上限致使變頻器接收停機(jī)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(shè)并與變頻器主回路線隔開一定距離經(jīng)這樣處理后諧波干擾基本抑制液位計工作恢復(fù)正常。
例2某變頻控制液位顯示系統(tǒng)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(zhǔn)且不穩(wěn)起初我們懷疑一次表、二次表、信號線及流體介質(zhì)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(shè)外殼良好接
地故障排除。