淺談變頻器產(chǎn)生的干擾及解決措施

張?jiān)驴《〗?/p>

摘要：采用變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)因其節(jié)能效果明顯、調(diào)節(jié)方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)而被越來(lái)越多的應(yīng)用。但是，由于變頻器特殊的工作方式帶來(lái)的干擾越來(lái)越不容忽視。

關(guān)鍵詞：變頻器；干擾

變頻器干擾主要有：一是變頻器中普遍使用了晶閘管或者整流二極管等非線性整流器件，其產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)將產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變（電壓畸變率用THDv表示，變頻器產(chǎn)生諧波引起的THDv在10~40%左右），影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量；二是變頻器的輸出部分一般采用的是IGBT等開(kāi)關(guān)器件，在輸出能量的同時(shí)將在輸出線上產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射干擾，影響周邊電器的正常工作。

1 諧波和電磁輻射對(duì)電網(wǎng)及其它系統(tǒng)的危害

1．1 諧波使電網(wǎng)中的電器元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了輸變電及用電設(shè)備的效率。

1．2 諧波可以通過(guò)電網(wǎng)傳導(dǎo)到其它的用電器，影響了許多電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，比如諧波會(huì)使變壓器產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，使其局部過(guò)熱，絕緣老化，壽命縮短，以至于損壞；還有傳導(dǎo)來(lái)的諧波會(huì)干擾電器設(shè)備內(nèi)部軟件或硬件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1．3 諧波會(huì)引起電網(wǎng)中局部的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而使諧波放大。

1．4 諧波或電磁輻射干擾會(huì)導(dǎo)致繼電器保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，使電氣儀表計(jì)量不準(zhǔn)確，甚至無(wú)法正常工作。

1．5 電磁輻射干擾使經(jīng)過(guò)變頻器輸出導(dǎo)線附近的控制信號(hào)、檢測(cè)信號(hào)等弱電信號(hào)受到干擾，嚴(yán)重時(shí)使系統(tǒng)無(wú)法得到正確的檢測(cè)信號(hào)，或使控制系統(tǒng)紊亂。

一般來(lái)講，變頻器對(duì)電網(wǎng)容量大的系統(tǒng)影響不十分明顯，這也就是諧波不被大多數(shù)用戶重視的原因。但對(duì)系統(tǒng)容量小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾就不能忽視。

2 有關(guān)諧波的國(guó)際及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)行的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-2-2，IEC61000-2-4，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61000-3-2，EN61000-3-12，國(guó)際電工學(xué)會(huì)的建議標(biāo)準(zhǔn)IEEE519-1992，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量共用電網(wǎng)諧波》。下面分別做簡(jiǎn)要介紹：

2．1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

IEC61000-2-2標(biāo)準(zhǔn)適用于公用電網(wǎng)，IEC61000-2-4標(biāo)準(zhǔn)適用于廠級(jí)電網(wǎng)，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不給電網(wǎng)造成損害所允許的諧波程度，它們規(guī)定了最大允許的電壓畸變率THDv。

IEC61000-2-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電網(wǎng)公共接入點(diǎn)處的各次諧波電壓含有的THDv約為8%。

IEC61000-2-4標(biāo)準(zhǔn)分三級(jí)。第一類對(duì)諧波敏感場(chǎng)合（如計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)室等）THDv為5%；第二類針對(duì)電網(wǎng)公共接入點(diǎn)和一部分廠內(nèi)接入點(diǎn)THDv為8%；第三類主要針對(duì)廠內(nèi)接入點(diǎn)THDv為10%。

以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了電器設(shè)備所允許產(chǎn)生諧波電流的幅值，前者主要針對(duì)16A以下，后者主要針對(duì)16A到64A。

IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)是個(gè)建議標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是將單次THDv限制在3%以下，總THDv限制在5%以下。

2．2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

GB/T14549-93中規(guī)定，公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值為380V（220V）電網(wǎng)電壓總THDv為5%，各次諧波電壓含有率奇次為4%，偶次為2%。

由以上標(biāo)準(zhǔn)看來(lái)，一般單次電壓畸變率在3~6%，總電壓畸變率在5~8%的范圍內(nèi)是可以接受的。

3 減少變頻器諧波對(duì)其它設(shè)備影響的方法

3．1 增加交流/直流電抗器

采用交流/直流電抗器后，進(jìn)線電流的THDv大約降低30%~50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。

3．2 多相脈沖整流

在條件具備，或者要求產(chǎn)生的諧波限制在比較小的情況下，可以采用多相整流的方法。12相脈沖整流THDv大約為10%~15%，18相脈沖整流的THDv約為3%~8%，滿足EN61000-3-12和IEEE519-1992嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的要求。缺點(diǎn)是需要專用變壓器和整流器，不利于設(shè)備改造，價(jià)格較高。

3．3 無(wú)源濾波器

采用無(wú)源濾波器后，滿載時(shí)進(jìn)線中的THDv可降至5%~10%，滿足EN61000-3-12和IEEE519-1992的要求，技術(shù)成熟，價(jià)格適中。適用于所有負(fù)載下的THDv<30%的情況。缺點(diǎn)是輕載時(shí)功率因數(shù)會(huì)降低。

3．4 輸出電抗器

也可以采用在變頻器到電動(dòng)機(jī)之間增加交流電抗器的方法，主要目的是減少變頻器的輸出在能量傳輸過(guò)程中，線路產(chǎn)生的電磁輻射。該電抗器必須安裝在距離變頻器最近的地方，盡量縮短與變頻器的引線距離。如果使用鎧裝電纜作為變頻器與電動(dòng)機(jī)的連線時(shí)，可不使用這方法，但要做到電纜的鎧在變頻器和電動(dòng)機(jī)端可靠接地，而且接地的鎧要原樣不動(dòng)接地，不能扭成繩或辨，不能用其它導(dǎo)線延長(zhǎng)，變頻器側(cè)要接在變頻器的地線端子上，再將變頻器接地。

4 減少或削弱變頻器諧波及電磁輻射對(duì)設(shè)備干擾的方法

上面介紹的方法是減少變頻器工作時(shí)對(duì)外設(shè)備的影響，但并不是消除了變頻器的對(duì)外干擾，如果想進(jìn)一步提高其它設(shè)備對(duì)變頻器諧波和電磁輻射的免疫能力，尤其是在變頻器（品牌不同，產(chǎn)生的干擾程度可能不一樣）干擾較嚴(yán)重的場(chǎng)合中常用的方法通常有以下幾種：

4．1 使用隔離變壓器

使用隔離變壓器主要是應(yīng)對(duì)來(lái)自于電源的傳導(dǎo)干擾。使用具有隔離層的隔離變壓器，可以將絕大部分的傳導(dǎo)干擾阻隔在隔離變壓器之前。同時(shí)還可以兼有電源電壓變換的作用。隔離變壓器常用于控制系統(tǒng)中的儀表、PLC，以及其它低壓小功率用電設(shè)備的抗傳導(dǎo)干擾。

4．2 使用濾波模塊或組件

目前市場(chǎng)中有很多專門(mén)用于抗傳導(dǎo)干擾的濾波器模塊或組件，這些濾波器具有較強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)還具有防止用電器本身的干擾傳導(dǎo)給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能，對(duì)各類用電設(shè)備有很多好處。

常用的為雙孔磁芯濾波器的結(jié)構(gòu)。還有單孔磁芯的濾波器，其濾波能力較雙孔的弱些，但成本較低。

4．3 選用具有開(kāi)關(guān)電源的儀表等低壓設(shè)備

一般開(kāi)關(guān)電源的抗電源傳導(dǎo)干擾的能力都比較強(qiáng)，因?yàn)樵陂_(kāi)關(guān)電源的內(nèi)部也都采用了有關(guān)的濾波器。因此在選用控制系統(tǒng)的電源設(shè)備，或者選用控制用電器的時(shí)候，盡量采用具有開(kāi)關(guān)電源類型的。

4．4 作好信號(hào)線的抗干擾

信號(hào)線承擔(dān)著檢測(cè)信號(hào)和控制信號(hào)的傳輸任務(wù)，毋庸置疑，信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性，因此做好信號(hào)線的抗干擾是十分必要的。

對(duì)于信號(hào)線上的干擾主要是來(lái)自空間的電磁輻射，有常態(tài)干擾和共模干擾兩種。

常態(tài)干擾的抑制。常態(tài)干擾是指疊加在測(cè)量信號(hào)線上的干擾信號(hào)，這種干擾大多是頻率較高的交變信號(hào)，其來(lái)源一般是耦合干擾。抑制常態(tài)干擾的方法有：

在輸入回路接RC濾波器或雙T濾波器。盡量采用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，由于這種積分器工作的特點(diǎn)，具有一定的消除高頻干擾的作用。將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)再傳輸?shù)姆绞?，?duì)于常態(tài)的干擾有非常強(qiáng)的抑制作用。

共模干擾的抑制。共模干擾是指信號(hào)線上共有的干擾信號(hào)，一般是由于被測(cè)信號(hào)的接地端與控制系統(tǒng)的接地端存在一定的電位差所制，這種干擾在兩條信號(hào)線上的周期、幅值基本相等，所以采用上面的方法無(wú)法消除或抑制。對(duì)共模干擾的抑制方法如下：采用雙差分輸入的差動(dòng)放大器，這種放大器具有很高的共模抑制比。把輸入線絞合，絞合的雙絞線能降低共模干擾，由于改變了導(dǎo)線電磁感應(yīng)e的方向，從而使其感應(yīng)互相抵消。采用光電隔離的方法，可以消除共模干擾。使用屏蔽線時(shí)，屏蔽層只一端接地。因?yàn)槿魞啥私拥?，由于接地電位差在屏蔽層?nèi)會(huì)流過(guò)電流而產(chǎn)生干擾，因此只要一端接地即可防止干擾。

無(wú)論是為了抑制常態(tài)干擾還是抑制共模干擾，都還應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：

輸入線路要盡量短。配線時(shí)避免和動(dòng)力線接近，信號(hào)線與動(dòng)力線分開(kāi)配線，把信號(hào)線放在有屏蔽的金屬管內(nèi)，或者動(dòng)力線和信號(hào)線分開(kāi)距離要在40cm以上。為了避免信號(hào)失真，對(duì)于較長(zhǎng)距離傳輸?shù)男盘?hào)要注意阻抗匹配。

5 在使用以單片機(jī)、PLC、計(jì)算機(jī)等為核心的控制系統(tǒng)中，編制軟件的時(shí)候，可以適當(dāng)增加對(duì)檢測(cè)信號(hào)和輸出控制部分的軟件濾波，以增強(qiáng)系統(tǒng)自身的抗干擾能力。

總結(jié)

干擾的分布參數(shù)是很復(fù)雜的，因此在抗干擾時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)?shù)拇胧纫紤]效果，又要考慮價(jià)格因素，還要因現(xiàn)場(chǎng)情況而定。采用的措施只要能解決問(wèn)題即可，往往過(guò)多的抗干擾措施有可能會(huì)產(chǎn)生額外的干擾，具體情況具體解決。