变频器谐波干扰及抑制

0 引言

　　近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。但是由于变频器中普遍有晶闸管、整流二极管及大功率IGBT开关等非线性元器件，在使用中会产生大量谐波，从而干扰周围电器正常运行。如果变频器的干扰问题解决不好，不但系统无法可靠运行，还会影响其他电子、电气设备的正常工作，因此有必要对变频器应用系统中的干扰问题进行探讨。

1 变频调速系统谐波的产生

　　变频器的主电路一般由交-直-交组成，外部输入的380 V/50 Hz 的工频电源经三相桥路晶闸管整流成直流电压信号后，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关器件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅里叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR 大功率逆变器件，其PWM的载波频率为2耀3 kHz，而IGBT大功率逆变器件的PWM最高载频可达15 kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。

　　用于电机调速的交-直-交型通用变频器一般是6脉动装置，其谐波电流含有率如表1所列。
此外，交-交型变频器通过一套可关断晶闸管和斩波技术，不经过整流这个环节，把电网工频直接变成交流调速电机所需要的交流频率。交-交型变频器除了向电网系统注入高次谐波外，还注入谐间波（即频率不是工频倍数）电流。谐波电流的频率和含量随电机的工况变化而变化。

2 谐波的传播途径

　　变频器能产生功率较大的谐波，对系统其他设备干扰性较强，其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的，主要分传导（即电路耦合）、电磁辐射、感应耦合。具体为：首先对周围的电子、电气设备产生电磁辐射，这是频率很高的谐波分量的主要传播方式；其次对直接驱动的电动机产生电磁噪声，使得电机铁耗和铜耗增加；并传导干扰到电源，通过配电网络传导给系统其他设备，这是变频器输入电流干扰信号的主要传播方式；最后变频器对相邻的其他线路产生感应耦合，感应出干扰电压或电流，感应的方式又有两种：即电磁感应方式，这是电流干扰信号的主要方式；静电感应方式，这是电压干扰信号的主要方式。同样，系统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。

3 谐波的危害

　　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他的电器，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。

4 谐波的治理

　　4.1 减少变频器工作时对外部设备的影响的措施

　　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THD 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 相脉冲整流的THD为10%~15%，18 相脉冲整流的THD为3%~8%，满足EN61000-3-12和IEEE519-1992 标准的严格要求。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THD 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THD<30%的情况，缺点是轻载时功率因数会降低。

　　4）加装有源滤波器早在上世纪70 年代初，日本学者就提出有源滤波器的概念，有源滤波器通过对电流中高次谐波进行检测，根据检测结果输入与高次谐波成分具有相反相位的电流，达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比具有高度可控性和快速响应性，有一机多能特点，且可消除与系统阻抗发生谐振的危险，也可自动跟踪补偿变化的谐波。但存在容量大，价格高等特点。

　　5）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，可不使用这种方法，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，不能扭成绳或辫，不能用其他导线延长，靠近变频器侧要接在变频器的地线端子上，再将变频器接地。

　　6）使用理想化的无谐波污染的绿色变频器绿色变频器的品质标准是输入和输出电流都是正弦波，输入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为1，可获得任意可控的输出功率。

　　4.2 提高其他设备对变频器谐波抑制能力

　　在变频器谐波干扰较严重的场合，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。隔离变压器常用于抑制控制系统中的仪表、PLC，以及其他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。
常用的有双孔磁芯滤波器和单孔磁芯滤波器，单孔磁芯滤波器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，尽量采用开关电源类型的。

　　4）做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：

　　a 在输入回路接RC 滤波器或双T滤波器；

　　b 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；

　　c 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：

　　a 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；

　　b 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的方向，从而使其感应互相抵消；

　　c 采用光电隔离的方法，可以消除共模干扰；

　　d 使用屏蔽线时，屏蔽层一端接地，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40 cm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）软件滤波在使用以单片机、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。

5 工程案例

　　5.1 系统受干扰时出现的故障现象

　　2008 年8 月某公司进行风机、水泵节能改造时，安装了9台ABB ACS系列变频器，其中8 台变频器是ACS-510系列，功率范围为45耀110 kW；另外一台变频器是ACS-800 系列，功率为200 kW，此台变频器和另外一台45 kW变频器安装在一台1 000 kV·A车间变压器供电的400 V母线上。变频器的4耀20 mA 调速信号均来自PLC 控制系统。

　　在调试中ACS-510 系列变频器运转正常，但ACS-800变频器运转时出现了两个问题。

　　1）两线制仪表信号受到干扰，测量值出现波动。波动比较严重时，控制系统发出压力高或者压力低的信号；干扰非常严重时，控制系统误认为是压力过低，而自动关闭一些阀门。图1 曲线前半部分为变频器运行时，仪表记录曲线，记录值波动很大；曲线后半部分为变频器停止运行后记录曲线，曲线比较平缓，幅值波动很小。从记录曲线可以明显地看出变频器运行对仪表信号干扰非常强烈。
但是，除了两线制以外的仪表，均正常工作，没有受到干扰。

　　2）变频器运行后，车间变压器保护装置误动作，经常发出过负荷报警，甚至还发生误动作跳闸的事故，而变压器实际负荷才500 kW，没有出现过负荷。

　　5.2 故障分析与排除

　　根据以上两种故障现象，初步判断是因为变频器功率比较大，所以产生的电磁干扰也比较强烈，并且是由于控制线与动力线距离比较近造成。系统原理如图2所示（黑实线表示一次线路，表示二次控制线路或仪表线， 表示谐波传播途径），其4耀20 mA 调速信号电缆采用的是屏蔽双绞线，穿镀锌钢管后沿电缆桥架辐射，钢管与电缆桥架的距离约为5 cm。

　　将控制电缆和动力电缆之间的距离调整到30 cm 以上再次试验，发现干扰现象仍然存在；为了再次确认是否是电磁干扰沿控制线路引入PLC控制系统，将控制电缆从PLC 控制柜去除，变频器控制柜现场手动调速，发现两线制仪表信号受到的干扰现象仍然存在，所以基本排除了是电磁干扰信号沿控制线路引入PLC 控制系统。随后采用专用电能质量测试仪对变频器供电回路进行谐波测试。测试谐波数据如表2 所列，谐波电流波形和谐波含量如图3、图4 所示。

　　从测试的谐波数据可知，变频器产生了大量谐波，主要以5次、7 次、11 次谐波居多。

　　从变频器电流曲线可以明显的看出，谐波电流使正常的电流曲线不再是正弦曲线；谐波含量柱形图所显示的情形和所测得的谐波数值相吻合，证实了是变频器谐波以电磁传导方式传播到供电网络中去，从而影响到仪表变压器继电保护装置不能正常工作。

　　根据以上测试结果，仔细分析了ACS-510 系列变频器和ACS-800 变频器的结构区别，从ABB变频器使用手册和其他技术资料中发现，两种变频器在其附件配置上稍微有点区别。ACS-510系列变频器输入端内置了一台变感式交流输入电抗器和RFI滤波器。交流电抗器和RFI 滤波器是标准配置，在实际使用中不需要额外的滤波器。而ACS-800变频器在输入端只内置了一台交流输入电抗器。EMC 滤波器是可选设备，如果在设备订货时没有要求强调安装EMC 滤波器，ABB 厂家只在输入端内置一台交流输入电抗器。

　　经核实，这台变频器订货时确实没有要求配置EMC 滤波器，于是在变频器输入端增加了一台变频器专用FT330-400型输入滤波器，然后再开机试验，仪表信号受干扰现象消除，并且变压器继电保护装置误动作事故也不再发生。

6 结语

　　为了确保变频器系统的安全运行，减小变频器电磁噪声对周边设备的干扰，应将变频器系统的电磁兼容性、抗电磁干扰能力及降低电磁干扰等，作为变频器系统设计、制造、施工安装中综合考虑的重要部分，须符合相关电磁兼容性标准和规范要求。