1、变频设备污染及抑制措施赵东（国华盘电公司电气室，天津市 蓟县 301900）【摘要】：在能源日趋紧张的今天，降低能耗、改善机械设备性能是企业赖以生存和发展的前提。在异步电动机各种调速方式中，变频调速方式占有极其重要的地位。变频技术具有功率因数高、起动平稳、调速范围宽、自动控制强等优点，也即具有高效、节能和智能化的特点。因此，高、低压电动机变频技术深受各个行业的普遍欢迎，得以广泛应用。虽然变频器在工业生产中具有无可比拟的优越性，但是由于变频器内部采用大功率二极管整流、大功率晶体管逆变技术，势必在输入、输出回路产生高次谐波电流，对供电系统、负载及其他邻近电气设备产生干扰，尤其是在对防干扰要求比较高
2、的微机型保护装置、高精度仪表、计算机控制系统等应用中，谐波干扰问题尤为突出。因此，了解变频设备谐波产生的机理，研究变频设备污染产生原因及抑制措施，是从事专业技术管理人员不容忽视的研究课题。【关键词】：变频 谐波污染 抑制措施1 引言随着工业生产技术的逐步提高，变频器使用范围逐步加大，近年来，盘电公司相继在生活水控制系统、给煤机控制系统、#1炉空预器控制系统、取水泵控制系统等范围内使用了变频器，在降低能耗，提高调节性能等方面取得了显著效益，但变频器高次谐波带来的电磁干扰和污染问题也越来越突出，怎样处理好变频器系统的谐波污染成了变频器进一步推广应用，特别是在对谐波污染要求高的场所的推广应用的关键。
3、本文从变频器构成机理入手分析高次谐波的产生原因，从工程实际应用出发，全面阐述了变频设备的谐波危害性及其抑制和消除干扰的方法，为更好的使用变频设备，从而提高其安全性和可靠性具有一定的指导意义。2 变频器的构成及工作原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，通过改变交流异步电动机定子输入电源频率，达到改变电动机转速。目前使用的变频器的主电路一般为交一直一交组成，即先把工频交流电源经三相整流变换成直流电压，经电容滤波及大功率晶体管开关元件，然后再把直流电源逆变为频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由降压、整流、逆变和控制四个部分组成。整流部
4、分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为三相桥式逆变器。由于目前的变频器都采用大功率逆变元件和PWM控制方式，这样的脉冲调制形式使得变频器运行时在电源侧和输出侧产生高次谐波，破坏电源系统品质，对电机自身和相邻设备的正常运行产生不良影响。谐波既呈现出电压，又呈现出电流；一般地讲，奇次谐波引起的危害较偶次谐波更多更大。可变频驱动装置则产生以5、7次谐波最为显著。3 高次谐波的危害与一般无线电电磁干扰一样，变频器产生的高次谐波通过传导、电磁辐射和感应耦合三种方式对电源及邻近用电设备产生谐波污染。传导是指高次谐波按着各自的阻抗分流到电源系统和并联的负载，对并联的电气设备产生干扰；电磁辐射是指变频器输出端的
5、高次谐波还会产生辐射作用，对邻近的无线电及电子设备产生干扰；感应耦合是指在传导的过程中，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。高次谐波的危害具体表现在以下几个方面。变压器：谐波将增加变压器铜损和铁损，结果使变压器温度上升，影响绝缘能力，造成容量裕度减小。此外还能产生共振及噪声。感应电动机：谐波同样可使电动机铜损和铁损增加，温度升，绕组绝缘水平降低。谐波电流会改变电磁转距，产生振动力矩，使电动机发生周期性转速变动，影响输出效率，并发出噪声。开关设备：由于谐波电流使开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率，使暂态恢复峰值电压增大，破坏绝缘，容易引发开关跳脱误动作。保护装置：谐波会
6、改变电器动作特性，引起误动作，甚至改变其操作特性。计量仪表：谐波会造成感应盘产生额外转距，引起误差，降低精度。电力电子设备：电力电子设备通常靠精确电源零交叉原理或电压波形的形态来控制和操作，若电压有谐波成分时，零交叉移动、波形改变、以致造成误动作。此外，高次谐波还会对电脑、通信、设备电视及音响设备、载波遥控设备等产生干扰，使通信中断，产生杂讯，甚至发生误动作。4 谐波测试及其鉴别的标准4.1谐波测试方法为了判断谐波成份的大小，便于超标时治理，需对变频设备投运前后电网系统的谐波进行准确地检测。由于大多数便携式测量仪表是测量出来的交流电路电压和电流数值一般总是方均根值即有效值，如果实际测试交流电路
7、中电压和电流谐波成份及其大小，需要具有宽频带响应和精确的乘法运算功能的仪器。目前，便携式谐波综合数据处理分析仪已经较广泛应用。它可以在供电现场带电高速操作，并实地进行数据采集，分析处理，并打印记录，提供可靠的准确信息报告，对各种谐波进行诊断与鉴别，防止谐波含量超标。4.2谐波鉴别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/T14549-2002电能质量、公用电网谐波。下面分别做简要介绍：IEC61000-2-2标准适用于公用电网，
8、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
9、，总THDv限制在5%以下。中国国家标准GB/T14549-2002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%；6kV系统电压谐波总畸变率不超过4。5 变频器谐波污染的抑制措施在实际工业生产中为消除变频器高次谐波对电气设备的干扰，主要从传导、辐射和耦合三个方面解决。总的原则是抑制和切断干扰源、切断干扰对系统的耦合通道和降低对干扰信号的敏感性。解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离，解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽；解决耦合干扰就是合理布置干扰源和被干扰线路的距离、走向，避免耦合产生
10、。除了采用诸如隔离、屏蔽、接地、合理布线等抑制干扰传播的技术方法以外，还可以采取回避和疏导的技术处理，如滤波、吸收和旁路等等，这些回避和疏导技术简单而巧妙，有时可以代替成本费用昂贵而质量体积较大的硬件措施，收到事半功倍的效果。下面从设备制造、现场安装两方面的论述各种抗干扰措施。5.1 隔离措施隔离技术是电磁兼容性中的重要技术之一。所谓干扰的隔离，是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。电磁兼容的隔离技术分为磁电、光电、机电和声电等几种隔离方式。1 在变频调速系统中，通常是在电源和放大器电路之间电源线上采用隔离变压器以消除传导干扰。2 使所有的信号线很好地绝缘，使其不
11、可能漏电，这样，防止由于接触引入的干扰。3 将不同种类的信号线隔离铺设(在不同电线槽盒中，或用金属隔板隔开)，可根据信号不同类型将其按抗噪声干扰的能力分成几等。模拟量信号、低电平开关信号用的数据通信线路宜用屏蔽双绞线连接，模拟量信号线必须单独占用电缆管或槽盒。低电平开关信号、数据通信线路也要单独走线，不可和动力线和大负载信号线在一起平行走线。高电平的开关量的输入输出以及其他继电器输入输出信号宜用双绞线连接，也是单独走电缆管或槽盒。4 在计算机控制系统中对开关量信号则可以采用光电耦合器件进行隔离输入，必要时信号也可以选用光缆进行传输。5 机电隔离一般采用有触点电磁继电器来实现，从而阻止了电路耦合
12、产生的电磁干扰的传输，但是继电器的线圈工作频率较低，不适用于工作频率较高的场合，另外为解决在触点通断时的火花干扰还需加装 R-C 熄火花电路。6 声电隔离是利用正压电效应进行换能，实现电气隔离，主要应用在电视和通信中，作为带通、带阻滤波器，鉴频器和振荡器等。7对于装设多台变频器的场合，可各配专用的变压器，利用输入变压器相位错开的方法抑制高次谐波。5.2 屏蔽技术屏蔽是提高电子系统和电子设备电磁兼容性的重要措施之一，它能有效地抑制通过空间传播的各种干扰，既可阻止或减少电子设备内部的辐射电磁能对外的传输，又可阻止或减少外部辐射电磁能对电子设备的影响。屏蔽按机理可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽
13、，对于变频器应用而言最常见的是电场屏蔽，即用金属导体，把被屏蔽的元件、组合件和信号线包围起来。这种方法对电容性耦合噪声抑制效果很好。1 用双绞线代替两根平行导线是抑制磁场干扰的有效办法。2 屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效地方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏，输出线最好采用专用的屏蔽电缆或用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短(一般为 20m 以内)，且信号线采用对绞屏蔽，并与主电路的输入和输出线及控制线完全分离，决不能放于同一配管或线槽内，周围电子仪表、变送器等敏感装置的线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽层必须可靠接地。5.3 滤波技术滤波器既可抑制从电子设
14、备引出的传导干扰，又能抑制从电网引入的传导干扰。干扰滤波器安装在电源线与电子设备之间。它可使工频电源通过，而阻止高频噪声通过，对提高设备的可靠性有重要作用。1 当系统的抗干扰能力要求较高时，为减少变频器高次谐波对电源的污染，可在电源输入端并联电源滤波器。2 为抑制变频器输入侧的谐波电流，改善功率因素，可在变频器输入端串联交流电抗器。5.3.3为改善变频器输出电流，减少电动机噪声，可在变频器输出端串联交流电抗器。4 为了降低 PWM 控制的输出波形中所含有的交流谐波成分带来的磁杂讯采用更高频率的开关元件、变频器输出端加装滤波器，用随机法调节切换频率和闭环控制改善高次谐波。5为减少电磁噪声和损耗，
15、在变频器输出侧可设置输出滤波器，为减少对电源干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器，滤波器安装在变频器机壳的进线处，把滤波器外壳与变频器外壳牢固可靠地固定在一起。5.4 接地措施接地的作用有两类：一是保护人和设备不受损害，此类接地叫保护接地：二是抑制干扰，此类接地又叫工作接地。接地是抑制电磁干扰、提高电子设备电磁兼容性的重要手段之一。正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。为了使变频控制系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度，必须为变频器设立可靠地工作接地。它分为电源地、信号地、模拟地(AG 屏蔽地)。5.4.1 变频器系统地变频器系统的正确接地是
16、提高变频器抑制噪声能力和减小变频器干扰的重要手段，因此在实际应用中一定要非常重视。从抑制干扰的角度来看，将电力系统地和变频器系统的所有地分开是很有好处的，因为一般电力系统的地线是不太干净的。但从工程角度来看，在有些场合下单设变频器系统地并保证其与供电系统地隔开一定距离是很困难的，这时可以考虑能否将变频控制系统地和供电地(PG)共用一个时，还要考虑几个因素：1 系统地上是否干扰较小，有无大电流设备起停频繁；2 供电系统地的接地电阻是否很小，而且整个接地网各个部分的电位差是否很小；3 变频控制系统的抗干扰能力以及所用到的传输信号的抗干扰能力是否够大。假若上述均成立则共地成立，否则不能共地。具体做法
17、是各种变频器系统地在机柜内部自己分别接地，汇于变频机柜内的 AG 汇流排，然后用较粗的导体(铜)将各汇地点联起来，接到一个公共的接地体(PG)上，另外，变频器的各种接地在没汇到接地汇流排前，彼此之间应保证绝缘，避免接地干扰。5.4.2 屏蔽接地在通信速率低于 1MHz 时，选用一点接地效果较好，对于采用 Profibus，Modbus 总线控制的高速率(30MHz)。通信控制电缆的屏蔽层应该选用多点接地，即在该电路系统中，用一块接地平板代替电路中每部分各自接的地回路。因为接地引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗，从而影响屏蔽接地效果，所以要求地线的长度尽量短。采用多点接地时
18、，尽量找最接近的低阻值接地面接地，并最好也应该两端接地，并且采取在通信线路较长时在网络的终端加终端匹配电阻等抗干扰措施。对于电缆的多点接地，一个附加的好处是可以减少屏蔽层的静电耦合。对于抗干扰要求非常高的场合，可采用双重静电屏蔽的电缆，此时，外屏蔽层接至屏蔽地线，内屏蔽层接至系统地线。对于共模干扰严重的场合，可通过添加共模电感来消除共模干扰，对于多点地电位浮动的场合，可采用 DC/DC 隔离模块来实现电气隔离，彻底杜绝干扰。5.4.3 信号接地在采用外部传感器的闭环控制系统中，距离较远时，一定要保证外部设备和变频器的可靠独立接地，或者选用传感器外壳不与控制屏蔽层连接的传感器，在变频器侧实施一点
19、接地，距离较近时，可采用公共接地母排接地，保证传感器与控制设备接地点之间电位差近似为零，从而消除地网环流形成的干扰。但在有些场合，现场端必须接地，这时，必须注意原信号的输入端子绝对不许和变频控制系统的接地线有任何电气连接，而变频控制系统在处理这类信号时，必须在前端采用有效的隔离措施。5.5 采用安全栅采用安全栅是使仪表和系统具有本质安全性质的措施之一。安全栅的作用是保护危险现场端永远处于安全电源和安全电压范围之内。如果现场端短路，则由于负载电阻和安全栅电阻的限流作用，会将导线上的电流限制在安全范围内，使现场端不至于产生很高的温度，引起燃烧。第二种情况，如果变频器一端产生故障，则高压电信号加入了
20、信号回路，由于齐纳二级的嵌位作用，也使电压位于安全范围。6 结论总之，不管采用何种方法，都不可能完全解决变频器高次谐波的污染问题，减轻谐波污染需要选取那些本身引起电流、电压畸变较小的变频器、严格控制现场施工技术，才能抑制电网污染，提高电源质量，改善生存环境。对于变频设备投入可能产生的谐波污染，应予先提出诊断，鉴别并检测有关电网的谐波含量，采取有效的防范措施，将谐波抑制在源头，防患于未然，为实现电力企业的可持续稳定地发展，提供可靠的优质电源保证。参考文献1 ISBN978-7-5083-4842-1高压变频调速技术应用实践 徐甫荣编著，中国电力出版社，2007作者简介：赵东，出生于1965 年9月，男，专工，工程师，1987年毕业于北京电力专科学校，天津市蓟县人，毕业后一直从事于电气二次工作。通讯地址：天津市蓟县国华盘山发电有限责任公司电气室，邮政编码：301900，联系电话：022.82705282，手机13389996167 ；传真：022.82705071，Email ：
