变频器的谐波干扰成因及工程抗除研究

时间：2024-05-19

李跃华

(深圳技师学院,广东深圳 518000)

变频器的谐波干扰成因及工程抗除研究

李跃华

(深圳技师学院,广东深圳 518000)

该文主要叙述变频器在使用中产生的谐波及其危害,针对谐波的产生机理进行了成因的研究分析,并在此基础上提出了抗除干扰的办法,并结合生产中的一个实例加以分享。

变频器谐波干扰解决办法

采用变频器驱动的电动机系统因其节能效果明显、控制精确、维护简单、网络化等优点而被广泛应用，与此同时，变频器带来的谐波干扰越也伴随变频器的普及越来越引起重视。变频器干扰主要有两大类：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产生传导干扰，引起电网电压波形畸变，严重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。工程中用电压畸变率用THDv来表示谐波干扰的强度，通常变频器产生谐波引起的电压畸变率THDv在10～40%左右，本文则致力于降低这一数值。

1 现行谐波的有关标准简介

现行的有关标准主要有：国际标准、欧洲标准、国际电工委员会标准、中国国家标准，下面简要介绍：

1.1 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最大谐波程度，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不超过8%。

IEC61000-2-4标准分三类。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。

图1 变频器谐波干扰示意图

图2 使用交流/直流电抗器降低THDv

1.2 国家标准

GB/T14549-93《电能质量共用电网谐波》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，一般奇次电压畸变率在3～6%，总电压畸变率在5～8%的范围内才是合格的。

2 变频器谐波干扰成因分析与研究

通常变频器的内部主电路为交-直-交原理，外部输入380V／50Hz的工频电源经三相桥式不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。通常变频器谐波干扰可分为传导干扰和电磁辐射干扰，如图1所示。

2.1 输入和输出侧的传导干扰

输入侧因整流回路的存在，对电网产生非线性的电压变化，在三相桥式整流回路中，输入电流的波形为矩形波，按照工程数学的计算，该矩形波可按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，通常含有6n+1(n=l，2，3….)次谐波。其中的高次谐波对输入侧供电系统干扰较大。

输出侧输出电压和电流均有谐波含量。对于PWM控制的变频器，只要是电压型变频器，不管是何种PWM控制，其输出电压波形均为矩形波。其中谐波频率的高低是与变频器调制频率有关，若调制频率较低(如1～2KHz)，人耳听得见高次谐波频率产生的电磁噪声，表现为设备的尖锐噪声，若调制频率高(如IGBT变频器可达20KHz)，虽然人耳听不见，但高频信号很容易经检验设备检出。

以上输入侧的方波与输出侧的矩形波，通过建立数学模型，采用傅立叶级数的分析方法，可得出各次谐波的含量。所以，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其它各次谐波，而高次谐波电流对负载直接造成干扰。

2.2 变频器电磁辐射干扰

高次谐波电流还通过电缆向空间形成电磁辐射，对附近的用电设备尤其是无线电设备产生较大的干扰，增加对用电设备的电磁兼容特性的要求，增加了设备成本。电磁辐射在传导的过程中，与变频器输出线平行敷设的导线又会产生电磁耦合形成感应干扰。

图3 使用专用无源滤波器降低干扰

图4 使用输出电抗器减少变频器的电磁辐射

3 变频器谐波干扰对电网及其它设备的危害

图5 使用隔离变压器降低传导干扰

图6 双孔磁芯滤波器

图7 双绞线降低工模干扰

一般来讲，我们常用的变频器因容量较小，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。但是随着变频产品的广泛应用，如一栋楼宇中的电梯、风机、空调等都采用变频拖动的情况下，变频器对系统的累计谐波干扰就不能忽视，必要时要加以研究分析并消除。一般认为变频器谐波有如下所列举的危害：

(1)谐波使电网中的电器元件产生了附加的能量损耗，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，使电气仪表计量出现错误，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。

4 消除变频器谐波干扰的方法研究

4.1 增加交流/直流电抗器

一般加装交流/直流电抗器可明显降低谐波含量，如图2所示，在变频器进线端加装交流电抗器，同时在变频器内部直流端加装直流电抗器后，经工程测算，电流的谐波含量THDv大约降低了30%～50%，是不加电抗器谐波电流含量的一半左右。

4.2 采用多相脉冲整流

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%，能满足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，成本较高。

4.3 采用无源滤波器

采用无源滤波器后，如图3，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。

4.4 采用输出电抗器

在变频器到电动机之间采用增加交流电抗器的方法，如图4，主要目的是减少变频器的输出端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，变频器侧要接在变频器的地线端子上，再将变频器接地。

4.5 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，如图5。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。

4.6 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。

常用双孔磁芯滤波器的结构见图6所示。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。

4.7 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如图5结构类似的滤波器。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。

4.8 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。

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。

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致，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，如图7示。

(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。

5 消除变频器谐波干扰工程实例

某变频控制液位显示系统，液位计与变频器在同一个柜体安装，变频器工作正常，而液位计显示不准确且误差极大，起初怀疑一次表、二次表、信号线及流体介质有问题，更换所有这些仪表、信号电缆，并改善流体特性，故障依然存在。经过分析，此故障就是变频器的高次谐波电流通过输出回路电缆向外辐射，传递到信号电缆，引起了干扰，将液位计信号线及其控制线与变频器的控制线及主回路线分开一定距离，且柜体外信号线穿入钢管敷设，外壳良好接地，故障现象消除。