变频器的谐波干扰及防止对策
发布日期:2008-1-29 9:40:22 访问次数:128 [互联网]

 

逆变器对外产生的干扰危害,一般是通过电磁波的方式向空中辐射;通过线间电感向周围线路产生电磁感应;通过线间电容向周围线路及器件产生静电感应;还可以通过电源网络向电网传播。
变频器是电力电子设备,其电子元器件、计算机芯片,易受外界的一些电气干扰,另一方面,变频器内自身的元器件、振荡电路、数字电路、触点、开关等都将产生连续的干扰频谱。即变频器投入运行既要防止外界干扰,又要防止干扰外界,即通常所说的电磁兼容(Electro-magnetic Compatibility)。要做到这一点,就得采取相应措施和配套设备,以保证变频器安全、高效、高功率因数、环保的工作,做到电磁兼容。
谐波产生的机理
变频器输出侧PWM控制产生的输出电压和输出电流均有谐波,这是由于变频器中的逆变部分是通过高速半导体开关来产生一定宽度和极性的PWM控制信号,这种具有陡变沿的脉冲信号会产生很强的电磁干扰,尤其是输出电流,它们将以各种方式把自己的能量传播出去,形成对其他设备的干扰,严重地超出电磁兼容性标准的极限值要求。
谐波频率的高低与变频器调制频率有关,调制频率低(1~2kHz),人耳听得见高次谐波频率产生的电磁噪声(尖叫声)。若调制频率高(如IGBT变频器可达20kHz),人耳听不见,但高频信号是客观存在的。
输出谐波对外产生干扰的方式
逆变器对外产生的干扰危害,一般是通过电磁波的方式向空中辐射;通过线间电感向周围线路产生电磁感应;通过线间电容向周围线路及器件产生静电感应:还可以通过电源网络向电网传播。当变频调速系统的容量足够大时,所产生的高频信号将足以对周围各种电子设备的工作形成干扰,其主要后果有:影响无线电设备的正常接收,影响周围机器设备的正常工作。此外,变频器输出的具有陡变沿的驱动脉冲包含多次高频谐波,而变频器与电动机之间的连接电缆存在杂散电容和电感并受某次谐波的激励而产生衰减振荡,造成传送到电动机输入端的驱动电压产生过冲现象,同时电动机绕组也存在杂散电容,过冲电压在绕组中产生尖峰电流(如图1所示),使其在绕组绝缘层不均匀处引起过热,甚至烧坏绝缘层而导致损坏,还会增加电源的功率损耗。如果逆变器的开关频率位于听觉频率范围内,电动机还会产生噪声污染。
 



谐波干扰的途径
变频器输出侧的谐波干扰途径与一般无线电干扰一样分传导和辐射。在传导的过程中,与变频器输出线平行的导线又会产生电磁耦合形成感应干扰;变频器输出侧谐波又会辐射,对附近的无线电设备产生干扰,其干扰途径如图2所示。
谐波干扰的危害
1)变压器 电流谐波将增加铜损,电压谐波将增加铁损,综合结果是使变压器温度上升,影响其绝缘能力,并造成容量裕度减少。
 



2)电动机 引起电动机附加发热,导致电动机额外温升,电动机往往要降额使用。由于输出波形失真,增加电动机的峰值电压,影响电动机的绝缘,谐波还会引起电动机转矩脉动,以及噪声增加。
3)电力电容器组 一般电容器的标准规范,规定其电流只允许35%的超载,但实际运转时,由于谐波的影响,以致常发生严重过载。由于电容器的阻抗,伴随频率的增加而减少,故当谐波产生时,电容器即成为一陷流点,流人大量的电流,因而导致过热,增加介电质的应力,甚至损坏电容器。
4)开关设备 由于谐波电流的存在,开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率di/dt,致使增加暂态电压的峰值,破坏绝缘。所以当谐波过大时,常会引起一些无熔丝开关跳脱,产生误动作,也很容易使一些开关里的熔丝熔断。
5)保护电器 电流中含有谐波,必会产生额外的转矩,改变电器的动作特性,以致引起误动作。
6)计量仪表 电能表等计量仪表,会因谐波而造成感应转盘产生额外的电磁转矩,引起误差,降低精确度。
7)电力电子 设备在许多场合,电子设备常会产生谐波的电流源,且很容易感受谐波失真而误动作。
8)通信设备 输电线中若含有谐波,则将产生磁场及电场,以致干扰通信线路。
防止谐波干扰的对策
1)在变频器输入端加装滤波器以防止对共电源的其他电子设备引起干扰,在输出端后加装滤波器使送出的电源波形为正弦波。
2)改善PWM调制方法,降低谐波含量。
3)用闭环控制的方法,如ADSM及DSMC,来改善一般传统PWM的谐波现象。
4)电压变极谐波消除法,此法是将输出电压的极性在半周期内切换次数以造成谐波频谱的改变,以期消除对系统造成危害的低次谐波。
5)减少PWM控制谐波的低频部分,在采用IGBT的PWM变频器中,载频考虑了开关损耗死区时间引起的电流波形畸变以及输出电压线性等,一般设在10~15kHz。为此,如果减少载频附近的谐波分量,就可使谐波的主要分量移至音频以外,从而大幅度地减少电磁噪声。
6)采用空间电压矢量改善PWM控制的输出波形,采用空间矢量表示法把三相量作为一个整体来处理,与基准矢量幅值、方向相同的两个空间调节矢量,可得到合成输出及低的输出波畸变。
为了防止干扰,可采用图3所示方案。
 



变频器本身用铁壳屏蔽为好,变频器安装于铁壳内,既能屏蔽交流调速系统向外辐射能量,又能防止外界电磁波进入本系统。输出线用钢管屏蔽为好,并与其他弱电信号分别配线,附近的其他灵敏电子设备线路也要屏蔽好。电源线要采用隔离变压器、电源滤波器以避免传导干扰。为了解决电动机过热和电磁噪声,可以配置输出滤波器。滤波器一般采用无源滤波器,使用无源滤波器的目的在于允许特定频率的信号通过,阻止干扰信号沿电源线传输并进行阻抗变换,使干扰信号不能通过地线传播而被反射回干扰源。为了减少对电源污染,可配置输入滤波器或零序电感。为使滤波器能够有效地发挥功效,在安装输入端滤波器时,应尽量靠近变频器安装,并与变频器共基板。若两者距离超过变频器使用说明书规定标准,应用扁平线进行连接。

(工控在线www.online-ipc.com)

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