变频器工业

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一、前言

采用变频器驱动的电动机系统因其节能效果明显、调节方便、维护简单、网络化等优点而被越来越多的应用。但是，由于变频器特殊的工作方式带来的干扰越来越不容忽视。变频器干扰主要有：一是变频器中普遍使用了晶闸管或者整流二极管等非线性整流器件，其产生的谐波对电网将产生传导干扰，引起电网电压畸变（电压畸变率用THDv表示，变频器产生谐波引起的THDv在10~40%左右），影响电网的供电质量；二是变频器的输出部分一般采用的是IGBT等开关器件，在输出能量的同时将在输出线上产生较强的电磁辐射干扰，影响周边电器的正常工作。

二、谐波和电磁辐射对电网及其它系统的危害

1.谐波使电网中的电器元件产生了附加的谐波损耗，降低了输变电及用电设备的效率。

2.谐波可以通过电网传导到其它的用电器，影响了许多电气设备的正常运行，比如谐波会使变压器产生机械振动，使其局部过热，绝缘老化，寿命缩短，以至于损坏；还有传导来的谐波会干扰电器设备内部软件或硬件的正常运转。

3.谐波会引起电网中局部的串联或并联谐振，从而使谐波放大。

4.谐波或电磁辐射干扰会导致继电器保护装置的误动作，使电气仪表计量不准确，甚至无法正常工作。

5.电磁辐射干扰使经过变频器输出导线附近的控制信号、检测信号等弱电信号受到干扰，严重时使系统无法得到正确的检测信号，或使控制系统紊乱。

一般来讲，变频器对电网容量大的系统影响不十分明显，这也就是谐波不被大多数用户重视的原因。但对系统容量小的系统，谐波产生的干扰就不能忽视。

三、有关谐波的国际及国家标准

现行的有关标准主要有：国际标准IEC61000-2-2，IEC61000-2-4，欧洲标准EN61000-3-2，EN61000-3-12，国际电工学会的建议标准IEEE519-1992，中国国家标准GB/T14549-93《电能质量共用电网谐波》。下面分别做简要介绍：

1.国际标准

IEC61000-2-2标准适用于公用电网，IEC61000-2-4标准适用于厂级电网，这两个标准规定了不给电网造成损害所允许的谐波程度，它们规定了最大允许的电压畸变率THDv.

IEC61000-2-2标准规定了电网公共接入点处的各次谐波电压含有的THDv约为8%.

IEC61000-2-4标准分三级。第一类对谐波敏感场合（如计算机、实验室等）THDv为5%；第二类针对电网公共接入点和一部分厂内接入点THDv为8%；第三类主要针对厂内接入点THDv为10%.

以上两个标准还规定了电器设备所允许产生谐波电流的幅值，前者主要针对16A以下，后者主要针对16A到64A.

IEEE519-1992标准是个建议标准，目标是将单次THDv限制在3%以下，总THDv限制在5%以下。

2.国内标准

GB/T14549-93中规定，公用电网谐波电压（相电压）限值为380V（220V）电网电压总THDv为5%，各次谐波电压含有率奇次为4%，偶次为2%.

由以上标准看来，一般单次电压畸变率在3~6%，总电压畸变率在5~8%的范围内是可以接受的。

四、减少变频器谐波对其它设备影响的方法

1.增加交流/直流电抗器

采用交流/直流电抗器后，进线电流的THDv大约降低30%~50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。

2.多相脉冲整流

在条件具备，或者要求产生的谐波限制在比较小的情况下，可以采用多相整流的方法。12相脉冲整流THDv大约为10%~15%，18相脉冲整流的THDv约为3%~8%，满足EN61000-3-12和IEEE519-1992严格标准的要求。缺点是需要专用变压器和整流器，不利于设备改造，价格较高。

3.无源滤波器

采用无源滤波器后，满载时进线中的THDv可降至5%~10%，满足EN61000-3-12和IEEE519-1992的要求，技术成熟，价格适中。适用于所有负载下的THDv<30%的情况。缺点是轻载时功率因数会降低。

4.输出电抗器

也可以采用在变频器到电动机之间增加交流电抗器的方法，主要目的是减少变频器的输出在能量传输过程中，线路产生的电磁辐射。该电抗器必须安装在距离变频器最近的地方，尽量缩短与变频器的引线距离。如果使用铠装电缆作为变频器与电动机的连线时，可不使用这方法，但要做到电缆的铠在变频器和电动机端可靠接地，而且接地的铠要原样不动接地，不能扭成绳或辨，不能用其它导线延长，变频器侧要接在变频器的地线端子上，再将变频器接地。

五、减少或削弱变频器谐波及电磁辐射对设备干扰的方法

上面介绍的方法是减少变频器工作时对外设备的影响，但并不是消除了变频器的对外干扰，如果想进一步提高其它设备对变频器谐波和电磁辐射的免疫能力，尤其是在变频器（品牌不同，产生的干扰程度可能不一样）干扰较严重的场合中常用的方法通常有以下几种：

1.使用隔离变压器

使用隔离变压器主要是应对来自于电源的传导干扰。使用具有隔离层的隔离变压器，可以将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前。同时还可以兼有电源电压变换的作用。隔离变压器常用于控制系统中的仪表、PLC，以及其它低压小功率用电设备的抗传导干扰。

2.使用滤波模块或组件

目前市场中有很多专门用于抗传导干扰的滤波器模块或组件，这些滤波器具有较强的抗干扰能力，同时还具有防止用电器本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能，对各类用电设备有很多好处。

常用的为双孔磁芯滤波器的结构。还有单孔磁芯的滤波器，其滤波能力较双孔的弱些，但成本较低。

3.选用具有开关电源的仪表等低压设备

一般开关电源的抗电源传导干扰的能力都比较强，因为在开关电源的内部也都采用了有关的滤波器。因此在选用控制系统的电源设备，或者选用控制用电器的时候，尽量采用具有开关电源类型的。

4.作好信号线的抗干扰

信号线承担着检测信号和控制信号的传输任务，毋庸置疑，信号传输的质量直接影响到整个控制系统的准确性、稳定性和可靠性，因此做好信号线的抗干扰是十分必要的。

对于信号线上的干扰主要是来自空间的电磁辐射，有常态干扰和共模干扰两种。

（1）常态干扰的抑制

常态干扰是指叠加在测量信号线上的干扰信号，这种干扰大多是频率较高的交变信号，其来源一般是耦合干扰。抑制常态干扰的方法有：

1）在输入回路接RC滤波器或双T滤波器。

2）尽量采用双积分式A/D转换器，由于这种积分器工作的特点，具有一定的消除高频干扰的作用。

3）将电压信号转换成电流信号再传输的方式，对于常态的干扰有非常强的抑制作用。

（2）共模干扰的抑制

共模干扰是指信号线上共有的干扰信号，一般是由于被测信号的接地端与控制系统的接地端存在一定的电位差所制，这种干扰在两条信号线上的周期、幅值基本相等，所以采用上面的方法无法消除或抑制。对共模干扰的抑制方法如下：

1）采用双差分输入的差动放大器，这种放大器具有很高的共模抑制比。

2）把输入线绞合，绞合的双绞线能降低共模干扰，由于改变了导线电磁感应e的方向，从而使其感应互相抵消。

3）采用光电隔离的方法，可以消除共模干扰。

4）使用屏蔽线时，屏蔽层只一端接地。因为若两端接地，由于接地电位差在屏蔽层内会流过电流而产生干扰，因此只要一端接地即可防止干扰。

无论是为了抑制常态干扰还是抑制共模干扰，都还应该做到以下几点：

（1）输入线路要尽量短。

（2）配线时避免和动力线接近，信号线与动力线分开配线，把信号线放在有屏蔽的金属管内，或者动力线和信号线分开距离要在40cm以上。

（3）为了避免信号失真，对于较长距离传输的信号要注意阻抗匹配。

5.在使用以单片机、PLC、计算机等为核心的控制系统中，编制软件的时候，可以适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增强系统自身的抗干扰能力。

总结

干扰的分布参数是很复杂的，因此在抗干扰时，应当采用适当的措施，既要考虑效果，又要考虑价格因素，还要因现场情况而定。采用的措施只要能解决问题即可，往往过多的抗干扰措施有可能会产生额外的干扰，具体情况具体解决。