淺談變頻器干擾的形成與危害

李曉東 姜大治 鳳斌

摘 要：變頻技術(shù)誕生背景是交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的廣泛需求。傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)因體積大、故障率高而應(yīng)用受限。20世紀(jì)60年代以后，電力電子器件普遍應(yīng)用了晶閘管及其升級(jí)產(chǎn)品。但其調(diào)速性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足需要。1968年以丹佛斯為代表的高技術(shù)企業(yè)開始批量化生產(chǎn)變頻器，開啟了變頻器工業(yè)化的新時(shí)代。20世紀(jì)70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻（PWM-VVVF）調(diào)速的研究得到突破，20世紀(jì)80年代以后微處理器技術(shù)的完善使得各種優(yōu)化算法得以容易的實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)80年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF變頻器技術(shù)實(shí)用化，商品投入市場(chǎng)，得到了廣泛應(yīng)用。最早的變頻器可能是日本人買了英國(guó)專利研制的，不過美國(guó)和德國(guó)憑借電子元件生產(chǎn)和電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，高端產(chǎn)品迅速搶占市場(chǎng)。步入21世紀(jì)后，國(guó)產(chǎn)變頻器逐步崛起，現(xiàn)已逐漸搶占高端市場(chǎng)。上海和深圳成為國(guó)產(chǎn)變頻器發(fā)展的前沿陣地。

關(guān)鍵詞：變頻器干擾;形成;危害

目前，油田企業(yè)的抽油機(jī)，各種泵類，已經(jīng)大量應(yīng)用變頻器進(jìn)行調(diào)速。采用變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)因其節(jié)能效果明顯、調(diào)節(jié)方便、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)而被越來越多的應(yīng)用 。但是，由于變頻器特殊的工作方式帶來的干擾越來越不容忽視。變頻器干擾主要有：一是變頻器中普通使用了晶閘管或者整流二極管等非線性整流器件，其產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)將產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾 ，引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量;二是變頻器的輸出部分一般采用的是 IGBT 等開關(guān)器件，在輸出能量的同時(shí)將在輸出線上產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射干擾 ，影響周邊電器的正常工作。尤其是油田企業(yè)變頻器的普及，對(duì)電網(wǎng)的干擾尤其嚴(yán)重，應(yīng)得到大家的重視。

一、諧波和電磁輻射對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的危害

1 諧波使電網(wǎng)中的電器元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了輸變電及用電設(shè)備的效率。

2 諧波可以通過電網(wǎng)傳導(dǎo)到其它的用電設(shè)備，影響了許多電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，比如諧波會(huì)使變壓器產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，使其局部過熱，絕緣老化，壽命縮短，以至于損壞;還有傳導(dǎo)來的諧波會(huì)干擾電器設(shè)備內(nèi)部軟件或硬件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 諧波會(huì)引起電網(wǎng)中局部的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而使諧波放大。

4 諧波或電磁輻射干擾會(huì)導(dǎo)致繼電器保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，使電氣儀表計(jì)量不準(zhǔn)確，甚至無(wú)法正常工作。

電磁輻射干擾使經(jīng)過變頻器輸出導(dǎo)線附近的控制信號(hào)、檢測(cè)信號(hào)等弱電信號(hào)受到干擾，嚴(yán)重時(shí)使系統(tǒng)無(wú)法得到正確的檢測(cè)信號(hào)。一般來講變頻器對(duì)電網(wǎng)容量大的系統(tǒng)影響不十分明顯，這也就是諧波不被大多數(shù)用戶重視的原因，但對(duì)系統(tǒng)容量小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾就不能忽視 。

二、有關(guān)諧波的國(guó)際及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)行的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) iec61000-2-2，iec61000-2-4，歐洲標(biāo)準(zhǔn) en61000-3-2，en61000-3-12，國(guó)際電工學(xué)會(huì)的建議標(biāo)準(zhǔn) ieee$19-1992，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) sb/t14549-93《電能質(zhì)量共用電網(wǎng)諧波》“。下面分別做簡(jiǎn)要介紹：

1.國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

iec61000-2-2 標(biāo)準(zhǔn)適用于公用電網(wǎng)，iec61000-2-4 標(biāo)準(zhǔn)適用于廠級(jí)電網(wǎng)，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不給電網(wǎng)造成損害所克許的諧波程度 它們規(guī)定了最大克許的電壓畸變率 thdv

2.國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

gb/t14549-93 中規(guī)定，公用電網(wǎng)諧波電壓《相電壓 ） 限值為 380v （220v ）電網(wǎng)電壓總 thdv 為 多，各次諧波電壓全有率奇次為 4%，偶次為 29，由以上標(biāo)準(zhǔn)看來，一般單次電壓畸變率在 3～6%，總電壓畸變率在 S～8%的學(xué)圍內(nèi)是可以接受的。

三、減少變頻器諧波對(duì)其它設(shè)備影響的方法

1 增加交流/直流電抗器，采用交流/直流電抗器后，進(jìn)線電流的電壓畸變率大約降低 30‰-50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。

2 多相脈沖整流，在條件具備'或者要求產(chǎn)生的諧波限制在比較小的情況下，可以采用多相整流的方法 12相脈沖整流 thdv 大約為 109%～15%，18 相脈證整流的 thdv 約為 3Wr- 8 ，滿足 en61000-3-12 和 ieee519-1992 嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的要求 缺點(diǎn)是需要專用變壓器和整流器，不利于設(shè)備改造' 價(jià)格較高。

3 無(wú)源濾波器采用無(wú)源濾波器后，滿載時(shí)進(jìn)線中的電壓畸變率可降至 9%～10%，技術(shù)成熟，價(jià)格適中。適用于所有負(fù)載下的電壓畸變率<3（哆的情況。缺點(diǎn)是輕載時(shí)功率因數(shù)會(huì)降低 。

4 輸出電抗器也可以采用在變頻器到電動(dòng)機(jī)之間增加交流電抗器的方法，主要目的是減少變頻器的輸出在能量傳輸過程中 ，線路產(chǎn)生的電磁輻射。該電抗器必須安裝在距離變頻器最近的地方，盡量縮短與變頻器的引線距離，如果使用鉛裝電纜作為變頻器與電動(dòng)機(jī)的連線時(shí)，可不使用這方法。但要做到電線的鎧皮在變頻器和電動(dòng)機(jī)端可靠接地，而且接地的鎧要原樣不動(dòng)接地，不能扭成繩或辯，不能用其它導(dǎo)線延長(zhǎng) 變頻器側(cè)要接在變頻器的地線端和子上，再將變頻器接地 。

三、減少或削弱變頻器諧波及電磁輻射對(duì)設(shè)備干擾的方法，上面介紹的方法是減少變頻器工作時(shí)對(duì)外設(shè)備的影響，但并不是消除了變頻器的對(duì)外干擾，如果想進(jìn)一步提高其它設(shè)備對(duì)變頻器諧波和電磁輻射的免疫能力，尤其是在變頻器（品牌不同，產(chǎn)生的干擾程度可能不一樣 ） 干擾較嚴(yán)重的場(chǎng)合中常用的方法通常有以下幾種：

1.使用隔離變壓器

使用隔離變壓器主要是應(yīng)對(duì)來自于電源的傳導(dǎo)干擾，使用具有隔離層的隔離變壓器，可以將絕大部分的傳導(dǎo)于擾阻隔在隔離變壓器之前。同時(shí)還可以兼有電源電壓變換的作用。隔離變壓器沿用于控制系統(tǒng)中的儀表、plc，以及其它低壓小功率用電設(shè)備的抗傳導(dǎo)干擾。

2.使用濾波模塊或組件

目前市場(chǎng)中有很多專門用于抗傳導(dǎo)于擾的濾波器模塊或組件，這些濾波器具有較強(qiáng)的抗干擾能力 。同時(shí)還具有防止用電器本身的干擾傳導(dǎo)給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能，對(duì)各類用電設(shè)備有很多好處。常用的為雙孔磁芯濾波器的結(jié)構(gòu)，還有單孔磁芯的濾波器，其濾波能力較雙孔的弱些，但成本較低 。

3.選用具有開關(guān)電源的儀表等低壓設(shè)備

一般開關(guān)電源的抗電源傳導(dǎo)干擾的能力都比較強(qiáng)，因?yàn)樵陂_關(guān)電源的內(nèi)部也都采用了有關(guān)的濾波器。因此在選用控制系統(tǒng)的電源設(shè)備，或者選用控制用電器的時(shí)候，盡量采用具有開關(guān)電源類型的。

4.作好信號(hào)線的抗干擾。信號(hào)線承擔(dān)著檢測(cè)信號(hào)和控制信號(hào)的傳輸任務(wù)，信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性。因此做好信號(hào)線的抗干擾是十分必要的。

對(duì)于信號(hào)線上的干擾主要是來自空間的電磁輻射，有常態(tài)干擾和共模干擾兩種 。

（1）常態(tài)干擾的疊加在測(cè)量信號(hào)線上的干擾信號(hào)，這種干擾大多是頻率較高的交變信號(hào)，其來源一般是耦合干擾。抑制常態(tài)干擾的方法有：

1）在輸入回路接 rc 濾波怖或雙 t 濾波器。

2）盡量用用雙積分式 ad 轉(zhuǎn)換器，由于這種積分器工作的特點(diǎn)，具有一定的消除高頻干擾的作用。

3）將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)再傳輸?shù)姆绞剑瑢?duì)于常態(tài)的干擾有非常強(qiáng)的抑制作用。

（2）共模干擾的抑制。共模干擾是指信號(hào)線上共有的干擾信號(hào)，一般是由于被測(cè)信號(hào)的接地端與控制系統(tǒng)的接地端存在一定的電位差所制，這種干擾在兩條信號(hào)線上的周期幅值基本相等，所以采用上面的方法無(wú)法消除或抑制。對(duì)共模干擾的抑制方法如下：

1）采用雙差分輸入的差動(dòng)放大器，這種放大器具有很高的共模抑制比。

2）把輸入線絞合，絞合的雙絞線能降低共模干擾，由于改變了導(dǎo)線電磁感應(yīng)e的方向，從而使其感應(yīng)互相抵消。

3）采用光電隔離的方法，可以消除共模干擾。

4）使用屏蔽線時(shí)，屏蔽層只一端接地。因?yàn)槿魞啥私拥兀捎诮拥仉娢徊钤谄帘螌觾?nèi)會(huì)流過電流而產(chǎn)生干擾，因此只要一端接地即可防止干擾。

無(wú)論是為了抑制常態(tài)干擾還是抑制共模干擾，都還應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：

（1）輸入線路要盡量短。

（2）配線時(shí)避免和動(dòng)力線接近，信號(hào)線與動(dòng)力線分開配線，把信號(hào)線放在有屏蔽的金屬管內(nèi)，或者動(dòng)力線和信號(hào)線分開距離芝在40cm以上。

（3）為了避免信號(hào)失真，對(duì)于較長(zhǎng)距離傳輸?shù)男盘?hào)要注意阻抗匹配。

在使用以單片機(jī)、p1c、計(jì)算機(jī)等為核心的控制系統(tǒng)中，編制軟件的時(shí)候，可以適當(dāng)增加對(duì)檢測(cè)信號(hào)和輸出控制部分的軟件濾波，以增強(qiáng)系統(tǒng)自身的抗干擾能力。

總結(jié)干擾的分布參數(shù)是很復(fù)雜的，因此在抗干擾時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)?shù)拇胧纫紤]效果，又要考慮價(jià)格因素，還要因現(xiàn)場(chǎng)情況而定。采用的措施只要能解決問題即可，往往過多的抗于擾措施有可能會(huì)產(chǎn)生額外的干擾，具體情況具體解決。