變頻器諧波的干擾分析及預防治理

劉治國+牛波+沈瀅

摘 要： 節(jié)能減排是擺在世界人們面前的亟待解決的大問題，變頻器在電廠中的廣泛應用為節(jié)約能源起到了巨大作用。變頻器運行時產生大量的高次諧波，而且眾多的變頻器諧波會相互疊加，諧波將會影響電動機正常運行，還會導致供電設備發(fā)熱損壞，嚴重干擾電源及周圍的電氣和電子設備的運行，為了消除這些干擾，必須進行變頻器諧波干擾分析。

關鍵詞： 變頻器；諧波；干擾分析

0引言

隨著低能耗、低污染、低排放為基礎的低碳經濟模式不斷推廣，以能源技術創(chuàng)新為核心的變革正大步走入我們的生產生活當中。出于節(jié)約能源和自動化控制的目的變頻調速技術電廠及其他領域被大規(guī)模應用，不僅數量多、功率大，并被密集使用，在工業(yè)變頻器給大家?guī)砀咝Ч?jié)能、控制精確的同時，也產生了諸多的不利的影響，如諧波干擾、電磁干擾等等，尤其是在今天電廠等實現大規(guī)模工業(yè)總線控制的領域，問題尤為突出。

1問題的提出

變頻器運行時產生大量的高次諧波，而且眾多的變頻器諧波會相互疊加，諧波將會影響電動機正常運行，還會導致供電設備發(fā)熱損壞，嚴重干擾電源及周圍的電氣和電子設備的運行。同時，變頻器的電磁干擾會對控制設備尤其是現場總線設備的干擾更大。為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，必須對這些問題進行原因分析，并據此提出相應措施，使這種高效節(jié)能的技術再生產中更好的發(fā)揮作用。

2變頻器諧波干擾分析

2.1 變頻器諧波的產生及危害

采用變頻器對風機變頻調速，變頻器輸入側為整流回路，具有非線性特性，產生的高次諧波使輸入電源的電流波形、電壓波形發(fā)生畸變；變頻器輸出側為一系列矩形波組成的脈寬調制的接近于三相正弦波形的交流電，輸出電壓和電流波形中均含有高次諧波，每一個變頻器作為諧波電力源，向電源母線注入諧波電流，由于每一段母線上帶有10多臺變頻器，因此產生大量的諧波電流，諧波電流會在系統(tǒng)上產生相應的諧波壓降，在母線上引起電壓畸變。同時低壓母線上的諧波電流通過系統(tǒng)在更高的電壓母線上引起電流和電流和電壓畸變，因此諧波直接影響到了各級母線的電能質量。

諧波對電力系統(tǒng)的危害大致有以下幾個方面：

2.1.1諧波對變壓器的危害：由于電流的趨膚效應，增加了銅損；高頻渦流會增加鐵損。由于損耗的增加，導致過熱、效率降低；發(fā)熱降容，導致變壓器超載甚至絕緣損壞。

2.1.2諧波對電動機的危害：由于電流的趨膚效應，增加了銅損；高頻渦流會增加鐵損。會導致電動機過熱，功率下降，易造成電動機絕緣損壞，諧波還會產生機械振動，噪音和過電壓，諧振電壓使電機絕緣老化容易擊穿。

2.1.3諧波對電纜的危害：同樣的電氣原理，會使電纜發(fā)熱增加，電纜過熱。容易引起絕緣擊穿斷路或火災燒毀電纜。

2.1.4諧波會引起系統(tǒng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，而使諧波放大，瞬間過電壓放電。

2.1.5諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，會使電氣測量儀表計量不準確。

2.1.6諧波會使臨近的通信系統(tǒng)產生干擾，產生噪聲，減低通訊質量或數據丟失。

3諧波干擾的治理及防止

為了減少變頻器諧波對電力系統(tǒng)的危害，減少諧波對電氣設備的影響，探討采用以下措施。

3.1 變壓器接線組別采用30°相角差

變頻器注入系統(tǒng)的特征諧波電流次數與脈動數有關，當脈動數增多時，產生的諧波次數次數增高，減少了諧波源產生的諧波電流。大多變頻器為6脈動變頻器，變壓器成對設置，分別采用Y，y12和Y，d11接線組別，使二次側電壓移向30°，從而在高壓側使5、7、17、19等次諧波成對抵消，減少了注入系統(tǒng)的諧波電流。

3.2獨立設置變頻器電源

由于采用了變壓器移相30°的措施，在附近的其他電氣設備要單獨采用其他電源供電，使變頻器諧波不會直接傳導到其他電源系統(tǒng)，可以有效的抑制變頻器諧波干擾。

3.3變頻器前后設置感性濾波裝置

為了減少變頻器諧波對電源的污染，變頻器配置輸入濾波器，為了減少對電機影響，調節(jié)PWM輸出波形，減低du/dt和峰值電壓，降低電動機承受的電應力，變頻器配置輸出濾波器。

3.4 變頻器到電機的電纜采用變頻專用電纜選擇電纜時，應考慮諧波引起的以下影響：

3.4.1共模電流對電機的危害。

在正常情況下，正弦波電源是平衡對稱的，中性點電壓為零，采用變頻器由于是把直流電壓轉換成三相電壓，雖然輸出電壓基頻分量是對稱平衡的，但是無法在僅有兩個輸出電平的情況下使瞬時達到三相輸出電壓之和為零，這就導致中性點電壓不為零，該電壓就是共模電壓的來源。共模電壓在變頻器和電動機通路之間形成共模電流，共模電流通路包括電動機基座，電纜屏蔽層，接地導體，元件對地電容等。如果共模電流通路的阻抗比較大，部分共模電流可能通過電動機軸承，轉軸和轉動機械返回變頻器，軸電流會使先關部件受損。

3.4.2脈動電壓對絕緣的沖擊。

變頻電源的頻率調節(jié)范圍較寬，不論頻率高低，具有一個主頻的波形輪廓，它包含了多個高次諧波，作為一種行波多次反射，幅值疊加可達到工作電壓數倍，電纜越長，幅值越高，若電纜的絕緣安全系數不高，將可能被擊穿。

3.4.3高頻電磁波通過電纜對外發(fā)射。

隨著變頻器功率的不斷增大，電纜不得不加長，在工作是高頻電磁波將通過電纜向外發(fā)射，對周圍的電子通信設施產生干擾。·變頻器專用電纜是專為變頻器設計的電纜，變頻器專用電纜的結構包括三根主導線和三根零線，并且主導線和零線均勻對稱布置，在主導線絕緣和零線絕緣外一次設置內繞包層、銅屏蔽、外繞包層和外護套層，形成3+3形線芯結構。變頻專用電纜能有效的減少共模電流對電機的危害，同時具有較強的耐受電壓沖擊性，抑制高頻電磁波對外發(fā)射。endprint

3.5電機采用變頻電機

由變頻器供電的電機，由于變頻器輸出側電壓諧波分量高，電機要求長期低速運行以及電機調速范圍大等特點，要求電機采用變頻供電專用電機，電機的冷卻方式、絕緣介電應力，軸電流，接地，噪聲，振動等方面均與普通電機有所不同。

3.6電氣設備均要求安全可靠基地

接地的目的一是保護操作人員和設備的安全既“保護基地”；二是為了抑制電磁干擾，提供電子測量中的電位基準，既“工作地“。保護接地點與工作接地點要分開設置，以防止安全接地點對工作接地點的干擾和影響。由于存在大量的諧波，為了減少他對設備的的電磁干擾，要求系統(tǒng)中所有電氣設備要嚴格采取接地措施，變壓器中性點、變壓器、開關柜、變頻器、電動機外殼、電力電纜接線盒、電纜外皮、電纜保護鋼管、電纜橋架等均要接至電氣接地網，變頻專用電纜的3根零線及屏蔽層應兩端接地，電纜屏蔽接地時要沿360。搭接接地。

3.7 變頻器問、配電間、及電子設備間鋪設金屬屏蔽網

變頻器間是最大的電磁干擾源，一方面諧波通過配電網傳送，另一方面諧波通過雜散電容、互感等路徑，由電力電纜耦合只控制電纜和通訊電纜使模擬信號或數字信號發(fā)生千畸變。變頻器的主要元件IGBT等高頻開關元件在通斷時，將對外輻射大量的高頻電磁波。為了最限度的減少變頻器對其他電子和通迅設備的干擾，在變頻器間的墻體地面敷設金屬屏蔽網，來隔離電磁干擾源的外泄。

3.8 在控制設備及電纜使用中防止干擾

在采用大量的控制諧波外泄的措施同時，再控制設備及測量二次線方面積極采用防止干擾的措施。由于干擾與距離的平方成反比，控制線纜應遠離變頻設備，敷設時盡量避免平行敷設、控制電纜、信號電纜采用屏蔽措施、采用光纜傳輸信號。

4結論

本文通過對工廠中大規(guī)模使用變頻器帶來的諧波及電磁干擾現象和事例分析，認為使用變頻器在節(jié)能的同時不可避免就要產生干擾，但是針對不同干擾，通過預防措施可以減輕或降低其危害。希望在相似的工廠設計、實施中有一定的參考價值。

參考文獻

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