变频器谐波干扰的消除与抑制办法

      在实际应用中,首先要通过合理布线、隔离、屏蔽和等这样的基本方法,来抑制谐波的干扰,然后根据应用场合对谐波的要求是否严格以及现场谐波的危害程度,再来选择是否治理以及治理的办法。目前,谐波的治理采用无源滤波器者居多,通过改造变频器本身来彻底解决谐波,也会在不久的将来成为现实。
    1、变频器电网侧的谐波
     如下图既是实测的某应用中变频器系统产生的谐波。变频器注入电网的主要是电流谐波。由于变频器是三相整流回路,变频器产生的谐波通常含有6n±1(n=1,2,3,……)次谐波,主要是5次、7次的谐波电流含量比较大,通常,5次含有基波电流的40-65%,7次含有基波电流的14-41%,其他阶次的谐波含量基本都在10%以下。当然,由于直流电流的脉动、交流电压相间的不平衡、延迟角相间差异、换相电抗相间差异等原因,也可能产生其他阶次的非特征谐波。

2、变频器输出侧的波形
   在逆变输出回路中,输出电压和电流均有谐波。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,其输出电压波形为矩形波,其中谐波频率的高低是与变频器调制频率有关。电流波形是带毛刺的近似正弦波,如图所示。可见,变频器的输出波形畸变将会对造成极大的危害。  谐波对电动机的危害主要是:引起电动机的附加发热,导致电动机的额外温升;增加电动机的重复峰值电压,破坏电动机的绝缘,降低电动机的寿命;产生转矩脉动;加大噪声。实际应用中,电动机许多不明原因的故障均是由于谐波造成的。改善变频器输出端的波形可采用正弦波滤波器,使输出波形修正到完美的正弦波。

1、变频器谐波干扰的消除办法
  由上可知,变频器的输入输出侧的波形均已畸变 ,不再是完美的正弦波,所以必然会对周围的环境与设备造成干扰。 实际应用中,主要从传导、辐射和耦合三个方面解决变频器的干扰,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干扰滤掉或者隔离,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。详细的措施如下:
1、隔离
  变频系统的供电与其他设备的供电电源相互独立,或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器,切断谐波电流
2、抑制
   在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器和电磁干扰滤波器,来抑制谐波干扰
3、屏蔽
   屏蔽干扰源是抑制干扰最有效的方法。变频器本采用铁壳屏蔽,阻止电磁干扰泄漏;输出线采用钢管屏蔽;外部信号控制变频其实,要求信号线尽可能短(一般20m以内),且采用双芯屏蔽以降低共模干扰,并与主电路及控制回路完全分离,决不能放于同一配管或线槽内,周围敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效,屏蔽罩必须接地。
4、合理布线
   一般将控制电缆于主回路或其他动力电缆分开铺设,间距通常在30cm以上,必须平行敷设且分离困难时,将控制电缆穿过钢管铺设,控制电路连接线与电源电缆交叉时,应成90度交叉布线。
5、接地
   变频器应使用专用接地线和专设的接地端子,用粗短线接地,接地点要与其他动力设备接地点分开,不能共地。

2、变频器谐波的抑制方法
  前面提到的是对于变频器谐波干扰的被动控制,为了进一步消除谐波对电网的不利影响,我们还需要从根上治理谐波,一般从两个方面入手:一方面就是装设谐波补偿装置;另一方面,对变频器本身进行改造,使其不产生谐波,或产生少量的谐波。以下就是具体的措施:
1、加装交流电抗器和直流电抗器
   加装交流电抗器,可以抑制谐波,并可以滤除30%左右的谐波电流,同时可将功率因数提高到0.8以上,加装直流电抗器,可将功率因数提高职0.9以上,若同时采用交流直流电抗器,功率因数可提高至0.95。
    举个例子:某酒店的中央空调系统风机进行变频改造,变频柜安装在低压补偿柜的附近,运行一段时间,出现一系列故障,无功控制器失灵,发热严重,甚至烧毁,电容投切器触点发黑。这显然是由于变频器谐波的存在造成的,经检测,谐波含量并未超标,推测由于谐波的存在引起谐振造成。由于非线性负荷不大,不建议采用滤波器来消除谐波,我们采用变频器输入侧加装交流电抗器,从根源抑制谐波,并进行电容柜改造,更换抗谐波功能的控制器,在前串接电抗器的方法。经改造后,问题解决。
2、无源滤波器
   无源滤波器安装在变频器的输入侧,由 L、C、R元件构成谐波共振回路,当 LC 回路的谐振频率和某一次高次谐波电流频率相同时,即对此次谐波形成低阻回路,吸收谐波,阻止高次谐波流入电网。无源滤波器特点是投资少、结构简单、运行可靠及维护方便,缺点是滤波易受系统参数的影响,对某些次谐波有放大的可能。无源滤波器适用于负荷稳定、很少变动的场合。
3、有源滤波器
     有源滤波器实质是一个谐波发生源,并联或串联于主电路中,采用高速的DSP芯片对系统参数实时监测,分离出基波与谐波成分,再由补偿装置发出一个与谐波电流大小相等方向相反的补偿电流,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,不受系统阻抗的影响,不会发生谐振危险,可自动跟踪补偿变化的谐波。其缺点就是价格昂贵,大容量制作困难等。
4、混合滤波
     即采用无源滤波器滤除大部分谐波,有源滤波器改善特性,如此,不但起到快速滤波的作用,不受系统阻抗的影响,而且可以做到价格合理。即综合了无源滤波和有源滤波的优点:电路的多重化、多元化
5、多重化
   逆变单元的并联多元化是采用2个或多个逆变单元并联,通过波形移位叠加,抵消谐波分量;整流电路的多重化是采用12脉波、18脉波、24脉波整流,可降低谐波成分;功率单元的串联多重化是采用多脉波(如30脉波的串联),功率单元多重化线路也可降低谐波成分。
6、新的变频调制方法,如电压矢量的变形调制等。
7、绿色变频
   采用理想化的无谐波污染的绿色变频器——交交变频,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,带任何负载使都能使功率因数为1,可获得工频上下任意可控的输出功率。

变频器谐波干扰的消除与抑制办法

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