變頻器諧波干擾與預(yù)防于建明淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安本文分析了變頻器的諧波產(chǎn)生機(jī)理、諧波干擾途徑、諧波干擾對(duì)電器設(shè)備的危害以及抑制諧波干擾常用的方法。

　　變頻器；干擾；防治方法近年來(lái)，由于調(diào)速和節(jié)能的需要，越來(lái)越多的場(chǎng)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(jì)算機(jī)芯片，易受外界的一些電氣干擾。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(shí)際使用過(guò)程中，經(jīng)常遇到變頻器諧波干擾問(wèn)題，下面簡(jiǎn)單介紹變頻器諧波產(chǎn)生的機(jī)理、干擾途徑、危害以及有效抑制干擾的方法。

　　1變頻器諧波產(chǎn)生機(jī)理變頻器輸入側(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(dòng)機(jī)、無(wú)換向器電動(dòng)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(jí)數(shù)分解為基波和各次諧波，通常含有6n+l（nl，2，3……）次諧波。其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。

　　變頻器輸入側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理：目前，大部分變頻器采用PWM或SPWM調(diào)制的交直流變頻方式。變頻器輸出側(cè)電壓、電流非正弦波或非完全正弦波也含有豐富的諧波，對(duì)輸出電路也有影響。就是說(shuō)變頻器投入運(yùn)行后會(huì)產(chǎn)生高次諧波對(duì)與其相接的電網(wǎng)和用電設(shè)備產(chǎn)生干擾，這就是即通常所說(shuō)的電磁兼容EMCElectro-MagneticCompatibility）。

　　其中U0為變頻器輸出電壓，Ud為變頻器直流側(cè)電壓，為調(diào)制度0*！* 1）），Wr為調(diào)制信號(hào)角頻率，為正弦調(diào)制波的初相角，Wc為載波信號(hào)角頻率，n為變頻器輸出諧波次數(shù)。第一項(xiàng)為PWM或SPWM輸出波形中的基波分量，這個(gè)基波分量就是調(diào)制時(shí)所要求的正弦波；第二項(xiàng)是PWM或SPWM輸出波形中的諧波分量。由表達(dá)式的第二項(xiàng)可以看出，所包含的諧波分量是相當(dāng)復(fù)雜的，諧波頻率既和載波角頻率有關(guān)，也和調(diào)制信號(hào)角頻率有關(guān)，而且各次諧波的幅值隨著調(diào)制度的變化而變化。

　　變頻器諧波干擾途徑與一般無(wú)線電干擾一樣分傳導(dǎo)和輻射，在傳導(dǎo)的過(guò)程中，與變頻器輸出線平行敷設(shè)的導(dǎo)線又會(huì)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(huì)輻射，對(duì)附近的無(wú)線電設(shè)備產(chǎn)生干擾。

　　3.1變頻器對(duì)電源電網(wǎng)產(chǎn)生干擾由于變頻器在電源側(cè)有整流回路，必將產(chǎn)生因其非線性引起的諧波，使總的輸入諧波失真超過(guò)5.變頻器產(chǎn)生的諧波電流輸入給電網(wǎng)電壓，可導(dǎo)致配電系統(tǒng)的電感與電容發(fā)生諧振，呈現(xiàn)比較小阻抗，使配電系統(tǒng)呈現(xiàn)比較大電流。變頻器及電容都會(huì)受到損傷，存在變頻器對(duì)電網(wǎng)的諧波污染等問(wèn)題。

　　3.2變頻器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生干擾三相異步電動(dòng)機(jī)利用變頻器進(jìn)行調(diào)速，避免了工頻電網(wǎng)供電的各種限制，其參數(shù)配置和性能要求在許多方面也不再受工頻供電的制約。但是由于變頻器大量的輸出諧波作用于電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)輸出指標(biāo)發(fā)生很大變化，嚴(yán)重情況可導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)無(wú)法運(yùn)行，壽命縮短。由電機(jī)學(xué)可知當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)速n穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，氣隙每極磁通和轉(zhuǎn)速變化較小，鐵損、機(jī)械損耗變化很小，成為不變損耗。定子、轉(zhuǎn)子銅損耗和電流平方成正比，變化較大，成為可變損耗。當(dāng)不變損耗等于可變損耗時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率達(dá)到比較大。一般來(lái)說(shuō)電動(dòng)機(jī)容量越大，效率越高。由于變頻器諧波的存在，對(duì)電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)損耗產(chǎn)生影響，降低了電動(dòng)機(jī)的效率。

　　首先是銅損增加。這里的銅損包含定子銅損耗Pcu'和轉(zhuǎn)子銅損耗Pw.銅損耗是造成電動(dòng)機(jī)效率下降的主要原因之一，諧波的存在使三相異步電動(dòng)機(jī)的銅損耗增加，次諧波引起的銅損耗為：Pcui3L +r'Pi.其中ni、r*2i分別是定子、轉(zhuǎn)子次諧波對(duì)應(yīng)的電阻。ni與電網(wǎng)直接供電時(shí)變化不大，但r*2i在諧波磁場(chǎng)作用下，集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)使轉(zhuǎn)子電阻明顯增大-），江蘇徐州人，淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣系教師。

　　0為轉(zhuǎn)子槽高度，為透入深度，由（表達(dá)式可知，其電動(dòng)機(jī)槽型和尺寸有關(guān)；而且變頻器供電時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中出現(xiàn)高頻電流，由于集膚效應(yīng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電阻會(huì)隨著轉(zhuǎn)子電流頻率的不同而變化。其次是鐵損耗，電網(wǎng)供電的異步電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行情況下又有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，氣隙旋轉(zhuǎn)磁通B與轉(zhuǎn)子鐵心的相對(duì)轉(zhuǎn)速小，再加上轉(zhuǎn)子鐵心和定子鐵心同樣是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，所以轉(zhuǎn)子鐵損耗較小，可忽略不計(jì)。再次是由于磁諧波、繞組高次諧波和定子漏磁等在繞組導(dǎo)線、磁路、貼心夾件和其他金屬結(jié)構(gòu)中引起的損耗，變頻調(diào)速中當(dāng)電源頻率f上升時(shí)附加損耗Pdt增大。變頻用電動(dòng)機(jī)考慮諧波影響選取，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以取得比常規(guī)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)取得稍大。

　　3.3變頻器諧波對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備產(chǎn)生干擾由于諧波電流的存在，開(kāi)關(guān)設(shè)備在起動(dòng)瞬間產(chǎn)生很高的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。

　　3.4變頻器諧波對(duì)保護(hù)電器干擾電流中含有諧波必產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩，改變電器工作特性，以致引起誤動(dòng)作。

　　4抑制諧波干擾常用的方法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(duì)輻射源或被干擾的線路進(jìn)行屏蔽。具體常用方法：變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設(shè)備的供電電源相互獨(dú)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。

　　在變頻器輸入側(cè)與輸出側(cè)串接合適的電抗器，或安裝諧波濾波器，濾波器的組成必須是LC型，吸收諧波和增大電源或負(fù)載的阻抗，達(dá)到抑制諧波的目的。

　　電動(dòng)機(jī)和變頻器之間電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜，并與其他弱電信號(hào)在不同的電纜溝分別敷設(shè)，避免輻射干擾。

　　信號(hào)線采用屏蔽線，且布線時(shí)與變頻器主回路控制線錯(cuò)開(kāi)一定距離至少20cm以上）切斷輻射干擾。

　　變頻器使用專用接地線，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(kāi)，使用短線，這樣能有效抑制電流諧波對(duì)鄰近設(shè)備的輻射干擾。

　　例1，某變頻控制液位顯示系統(tǒng)，液位計(jì)與變頻器在同一個(gè)柜體安裝，變頻器工作正常，而液位計(jì)顯示不準(zhǔn)且不穩(wěn)，起初我們懷疑一次表、二次表、信號(hào)線及流體介質(zhì)有問(wèn)題，更換所有這些儀表、信號(hào)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(guò)輸出回路電纜向外輻射，傳遞到信號(hào)電纜，引起干擾。

　　解決辦法：液位計(jì)信號(hào)線及其控制線與變頻器的控制線及主回路線分開(kāi)一定距離，且柜體外信號(hào)線穿入鋼管敷設(shè)，外殼良好接地，故障排除。

　　例2，某變頻控制系統(tǒng)，由兩臺(tái)變頻器組成，且在同一柜體內(nèi)，變頻器調(diào)頻方式均為電位器手調(diào)方式，運(yùn)行某一臺(tái)變頻器時(shí)，工作正常，兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，頻率互相干擾，即調(diào)節(jié)一臺(tái)變頻器的電位器對(duì)另一臺(tái)變頻器的頻率有影響，反過(guò)來(lái)也一樣。開(kāi)始我們認(rèn)為是電位器及控制線故障，排除這種可能后，斷定是諧波干擾引起。

　　解決辦法：把其中一只電位器移到其他柜體固定，且引線用屏蔽信號(hào)線，結(jié)果干擾減弱。為了徹底抑制干擾，重新加工一個(gè)電控柜，并與原柜體一定距離放置，把其中的一臺(tái)變頻器移到該電控柜，相應(yīng)的接線及引線作必要的改動(dòng)，這樣處理后，干擾基本消除，故障排除。

　　例3，某變頻控制系統(tǒng)，切換兩套機(jī)泵，原先機(jī)泵是靠自耦降壓?jiǎn)?dòng)工頻運(yùn)行正常，現(xiàn)改為變頻運(yùn)行，雖能實(shí)現(xiàn)調(diào)頻減速功能，但變頻器輸出端到電動(dòng)機(jī)間的輸出線嚴(yán)重發(fā)熱，電動(dòng)機(jī)外殼溫升加重，經(jīng)常出現(xiàn)保護(hù)跳閘。這是由于變頻器輸出電壓和電流信號(hào)中包含PWM高次諧波，而諧波電流在輸出導(dǎo)線和電動(dòng)機(jī)繞線上形成附加功率損耗。

　　解決辦法：把變頻器輸入線與輸出線分開(kāi)，分別走各自的電纜溝，選用大一號(hào)截面的電纜換原先電纜，輸出端與電動(dòng)機(jī)之間的電纜長(zhǎng)度盡可能短。這樣處理后，發(fā)熱故障排除。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的各種變頻器高次諧波干擾，基本上都能照以上介紹的方法順利抑制，但對(duì)諧波成分及幅度要求很?chē)?yán)的設(shè)備，徹底抑制高次諧波干擾非常困難，有待進(jìn)一步攻關(guān)解決。

　　吳忠智，吳加林。變頻器應(yīng)用手冊(cè)。北京：幾械工業(yè)出版社，2002許振茂。變頻調(diào)速器使用手冊(cè)。北京：兵器工業(yè)出版社，1992