变频器的应用

　　摘要：变频器体现着很多的优胜性，但它干扰电网的谐波和电磁辐射也越来越受到人们的重视，本篇主要介绍谐波、电磁辐射的标准和危害及其减弱或消除的方法。

　　关键词：谐波、电磁辐射、方法

　　引言

　　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运作。

　　1电网及其它系统受谐波和电磁辐射的危害

　　（1）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。

　　（2）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。

　　（3）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。

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

　　（5）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。

　　通常来讲，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。

　　2 有关谐波的国际及国家标准

　　（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%。

　　综上所述，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。

　　3 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，进线电流的谐波畸变率大约降低30%～50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右，使用交流/直流电抗器降低THD。

　　（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（如图3），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。

　　4 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（如图4）。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。常用双孔磁芯滤波器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

　　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:

　　在输入回路接RC滤波器或双T滤波器;

　　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;

　　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:

　　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。

　　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。

　　双绞线降低共模干扰

　　采用光电隔离的方法，可以消除共模干扰;

　　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）应注意的事项

　　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:

　　输入线路要尽量短。

　　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。

　　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。

　　在使用以单片机、DSP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 抑制谐波的方法

　　目前，国内普遍采用提高变压器质量、增加电缆截面积、特别加大中型线电缆截面以及选用定植较大的断路器、熔断器等保护元件等办法，不但不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，加大了投资浪费，增加了供电系统的隐患。为减少供电系统的谐波问题，一般从管理上和技术措施上采取以下几个方法：

　　（1）贯彻执行有关谐波的国家标准，加强谐波管理

　　我国于1998年12月4日发布了国家标准GB17625.1-1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流小于等于16A）》,等效采用IEC6100-3-2：1995，但在技术内容上与该国际标准完全一致。GB17625.1规定了准备接入公用低压配电系统中的电气、电子设备（每相输入电流秒度小于等于16A）可能产生的谐波的限植。只有经过试验证实符合该标准限植要求的设备才能接入到配电系统中。这样就可以对低压电气及电子产品注入供电系统的总体谐波电流水平加以限制。

　　该标准对以下四类设备确定了谐波电流时发射限植：A类设备 平衡的三相设备以及除B、C和D类外的所有其他设备；B类设备 便携式电动工具；C类设备 包括调光装置的照明设备；D类设备 输入电流具有标准定义的"特殊波形"，功率不大于600W的设备。

　　谐波治理还应注意下面几个标准，该标准还规定了试验电路和对试验电源的要求，对测量设备的要求和试验条件等内容。抗干扰标准：EN50082-1、-2，EN61800-3；辐射标准：EN50081-1、-2，EN61800-3。特别是IEC10003、IEC1800-3、IEC555（EN60555）和IEEE519-1992。

　　普通的抗干扰标准EN50081和EN50082以及针对变频器的标准EN61800（IEC1800-3）定义了设备在不同的环境中运行时的辐射及抗干扰的水平。上述标准定义了在不同环境条件下的可接受辐射等级：1级，无辐射限制。试用于在不受干扰的环境下使用变频器的用户和自己处理辐射限制的用户。2级，根据EN61800-3确定的限制，第一环境：有限制分布，和第二环境。作为选件RFI滤波器，配置RFI滤波器可以使变频器达到商业级，通常用于非工业的环境。

　　认真贯彻执行有关国家标准关于限制谐波的规定，就能从总体上控制供电系统中的谐波水平，保证供电系统中的谐波水平，保证供电系统供给优质的电力质量。

　　（2）增加换流装置的相数

　　换流装置是供电系统的主要谐波源之一。理论分析表明，换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为PK加减1和PK。当脉动数由P=6增加到P=12时，可以有效的消除幅值较大的低频项，从而大大降低了谐波电流的有效值。

　　（3）增装动态无功补偿装置，提高供电系统承受谐波的能力

　　在技术经济分析可行的条件下，可以在谐波源处装设动态无功补偿装置，以获得补偿负荷快速变动的无功需求、改善功率因数、滤除系统谐波、减少向系统注入谐波电流、稳定母线电压、降低三相电压不平横度等，提高供电系统承受谐波的能力。

　　（4）加装滤波装置

　　使用无源滤波器主要是改变在特殊频率下电源的阻抗，适用于稳定、不改变的系统。使用有源滤波器主要是用于补偿非线性负载。传统的方式多选用无源滤波器，其结构简单、投资少、运行可靠性较高以及运行费用较低。在具体的谐波治理方面，出现了无源滤波器与有源滤波器互补混合使用的方式，有源电力滤波器补偿性能好的优点，克服有源电力滤波器容量大、成本高的缺点，两者结合使用，从而使整个系统获得良好的性能。总之，一方面要严格限制谐波的发射水平，另一方面还要设法提高设备自身的抗谐波干扰能力，改善谐波保护性能，以做到真正意义上的电磁兼容。

　　（5）减少回路的阻抗及切断传输线路法

　　将线性负载与非线性负载从同一电源接口点（PCC）就开始分别的电路供电，这样可以使由非线性负载产生的畸变电压不会传导到线性负载上去。这是目前治理谐波问题较为理想的解决方案。

　　（6）使用无谐波污染的绿色变频器

　　绿色变频器的最佳标准是：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，可获得功频上下任意可控的输出频率。变频器内置的交流电抗器，它能很好的抑制谐波，同时可以保护整流桥不受电源电压瞬间尖波的影响，为了减少谐波污染造成的干扰，在变频器的输出回路安装噪音滤波器。并且在变频器允许的情况，降低变频器的载波频率。

　　结束语

　　干扰的分布参数是很多种多样的，所以在抗干扰时，应当采用适当的措施，既要考虑效果，又要考虑价格因素，还要视现场情况而定。

　　参考文献：

　　1.《变频器世界》变频器世界杂志编辑部，2009年第10期

　　2.《中国工业电器》杂志，2008版

　　3.吴禄福、郭朝雨 《变频器维修技术》2005-05-20