變頻器諧波干擾與預(yù)防于建明淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安本文分析了變頻器的諧波產(chǎn)生機理、諧波干擾途徑、諧波干擾對電器設(shè)備的危害以及抑制諧波干擾常用的方法。

　　變頻器；干擾；防治方法近年來，由于調(diào)速和節(jié)能的需要，越來越多的場合用到了變頻調(diào)速技術(shù)。其中的核心部分變頻器是電力電子器件，有電子元器件，計算機芯片，易受外界的一些電氣干擾。由于變頻器中要進行大功率二極管整流、大功率晶體管逆變，結(jié)果是在輸入輸出回路產(chǎn)生電流高次諧波，干擾供電系統(tǒng)、負載及其它鄰近電氣設(shè)備。在實際使用過程中，經(jīng)常遇到變頻器諧波干擾問題，下面簡單介紹變頻器諧波產(chǎn)生的機理、干擾途徑、危害以及有效抑制干擾的方法。

　　1變頻器諧波產(chǎn)生機理變頻器輸入側(cè)產(chǎn)生諧波機理：不限于通用變頻器，晶閘管供電的直流電動機、無換向器電動機等凡是在電源側(cè)有整流回路的，都將產(chǎn)生因其非線性引起的諧波。在三相橋式整流回路中，輸入電流的波形為矩形波，波形按傅立葉級數(shù)分解為基波和各次諧波，通常含有6n+l（nl，2，3……）次諧波。其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。

　　變頻器輸入側(cè)產(chǎn)生諧波機理：目前，大部分變頻器采用PWM或SPWM調(diào)制的交直流變頻方式。變頻器輸出側(cè)電壓、電流非正弦波或非完全正弦波也含有豐富的諧波，對輸出電路也有影響。就是說變頻器投入運行后會產(chǎn)生高次諧波對與其相接的電網(wǎng)和用電設(shè)備產(chǎn)生干擾，這就是即通常所說的電磁兼容EMCElectro-MagneticCompatibility）。

　　其中U0為變頻器輸出電壓，Ud為變頻器直流側(cè)電壓，為調(diào)制度0*！* 1）），Wr為調(diào)制信號角頻率，為正弦調(diào)制波的初相角，Wc為載波信號角頻率，n為變頻器輸出諧波次數(shù)。第一項為PWM或SPWM輸出波形中的基波分量，這個基波分量就是調(diào)制時所要求的正弦波；第二項是PWM或SPWM輸出波形中的諧波分量。由表達式的第二項可以看出，所包含的諧波分量是相當復(fù)雜的，諧波頻率既和載波角頻率有關(guān)，也和調(diào)制信號角頻率有關(guān)，而且各次諧波的幅值隨著調(diào)制度的變化而變化。

　　變頻器諧波干擾途徑與一般無線電干擾一樣分傳導(dǎo)和輻射，在傳導(dǎo)的過程中，與變頻器輸出線平行敷設(shè)的導(dǎo)線又會產(chǎn)生電磁耦合形成感應(yīng)干擾；變頻器輸出側(cè)諧波又會輻射，對附近的無線電設(shè)備產(chǎn)生干擾。

　　3.1變頻器對電源電網(wǎng)產(chǎn)生干擾由于變頻器在電源側(cè)有整流回路，必將產(chǎn)生因其非線性引起的諧波，使總的輸入諧波失真超過5.變頻器產(chǎn)生的諧波電流輸入給電網(wǎng)電壓，可導(dǎo)致配電系統(tǒng)的電感與電容發(fā)生諧振，呈現(xiàn)比較小阻抗，使配電系統(tǒng)呈現(xiàn)比較大電流。變頻器及電容都會受到損傷，存在變頻器對電網(wǎng)的諧波污染等問題。

　　3.2變頻器對三相異步電動機產(chǎn)生干擾三相異步電動機利用變頻器進行調(diào)速，避免了工頻電網(wǎng)供電的各種限制，其參數(shù)配置和性能要求在許多方面也不再受工頻供電的制約。但是由于變頻器大量的輸出諧波作用于電動機，使電動機輸出指標發(fā)生很大變化，嚴重情況可導(dǎo)致電動機無法運行，壽命縮短。由電機學(xué)可知當三相異步電動機以轉(zhuǎn)速n穩(wěn)定運行時，氣隙每極磁通和轉(zhuǎn)速變化較小，鐵損、機械損耗變化很小，成為不變損耗。定子、轉(zhuǎn)子銅損耗和電流平方成正比，變化較大，成為可變損耗。當不變損耗等于可變損耗時，電動機效率達到比較大。一般來說電動機容量越大，效率越高。由于變頻器諧波的存在，對電動機各項損耗產(chǎn)生影響，降低了電動機的效率。

　　首先是銅損增加。這里的銅損包含定子銅損耗Pcu'和轉(zhuǎn)子銅損耗Pw.銅損耗是造成電動機效率下降的主要原因之一，諧波的存在使三相異步電動機的銅損耗增加，次諧波引起的銅損耗為：Pcui3L +r'Pi.其中ni、r*2i分別是定子、轉(zhuǎn)子次諧波對應(yīng)的電阻。ni與電網(wǎng)直接供電時變化不大，但r*2i在諧波磁場作用下，集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)使轉(zhuǎn)子電阻明顯增大-），江蘇徐州人，淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣系教師。

　　0為轉(zhuǎn)子槽高度，為透入深度，由（表達式可知，其電動機槽型和尺寸有關(guān)；而且變頻器供電時電動機轉(zhuǎn)子中出現(xiàn)高頻電流，由于集膚效應(yīng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電阻會隨著轉(zhuǎn)子電流頻率的不同而變化。其次是鐵損耗，電網(wǎng)供電的異步電動機在正常運行情況下又有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，氣隙旋轉(zhuǎn)磁通B與轉(zhuǎn)子鐵心的相對轉(zhuǎn)速小，再加上轉(zhuǎn)子鐵心和定子鐵心同樣是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，所以轉(zhuǎn)子鐵損耗較小，可忽略不計。再次是由于磁諧波、繞組高次諧波和定子漏磁等在繞組導(dǎo)線、磁路、貼心夾件和其他金屬結(jié)構(gòu)中引起的損耗，變頻調(diào)速中當電源頻率f上升時附加損耗Pdt增大。變頻用電動機考慮諧波影響選取，根據(jù)經(jīng)驗可以取得比常規(guī)電動機設(shè)計取得稍大。

　　3.3變頻器諧波對開關(guān)設(shè)備產(chǎn)生干擾由于諧波電流的存在，開關(guān)設(shè)備在起動瞬間產(chǎn)生很高的di/dt的電流變化率，致使增加暫態(tài)恢復(fù)電壓的峰值，以致破壞絕緣。

　　3.4變頻器諧波對保護電器干擾電流中含有諧波必產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩，改變電器工作特性，以致引起誤動作。

　　4抑制諧波干擾常用的方法諧波的傳播途徑是傳導(dǎo)和輻射，解決傳導(dǎo)干擾主要是在電路中把傳導(dǎo)的高頻電流濾掉或者隔離；解決輻射干擾就是對輻射源或被干擾的線路進行屏蔽。具體常用方法：變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設(shè)備的供電電源相互獨立，或在變頻器和其他用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器，切斷諧波電流。

　　在變頻器輸入側(cè)與輸出側(cè)串接合適的電抗器，或安裝諧波濾波器，濾波器的組成必須是LC型，吸收諧波和增大電源或負載的阻抗，達到抑制諧波的目的。

　　電動機和變頻器之間電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜，并與其他弱電信號在不同的電纜溝分別敷設(shè)，避免輻射干擾。

　　信號線采用屏蔽線，且布線時與變頻器主回路控制線錯開一定距離至少20cm以上）切斷輻射干擾。

　　變頻器使用專用接地線，且用粗短線接地，鄰近其他電器設(shè)備的地線必須與變頻器配線分開，使用短線，這樣能有效抑制電流諧波對鄰近設(shè)備的輻射干擾。

　　例1，某變頻控制液位顯示系統(tǒng)，液位計與變頻器在同一個柜體安裝，變頻器工作正常，而液位計顯示不準且不穩(wěn)，起初我們懷疑一次表、二次表、信號線及流體介質(zhì)有問題，更換所有這些儀表、信號電纜，并改善流體特性，故障依然存在，而這故障就是變頻器的高次諧波電流通過輸出回路電纜向外輻射，傳遞到信號電纜，引起干擾。

　　解決辦法：液位計信號線及其控制線與變頻器的控制線及主回路線分開一定距離，且柜體外信號線穿入鋼管敷設(shè)，外殼良好接地，故障排除。

　　例2，某變頻控制系統(tǒng)，由兩臺變頻器組成，且在同一柜體內(nèi)，變頻器調(diào)頻方式均為電位器手調(diào)方式，運行某一臺變頻器時，工作正常，兩臺同時運行時，頻率互相干擾，即調(diào)節(jié)一臺變頻器的電位器對另一臺變頻器的頻率有影響，反過來也一樣。開始我們認為是電位器及控制線故障，排除這種可能后，斷定是諧波干擾引起。

　　解決辦法：把其中一只電位器移到其他柜體固定，且引線用屏蔽信號線，結(jié)果干擾減弱。為了徹底抑制干擾，重新加工一個電控柜，并與原柜體一定距離放置，把其中的一臺變頻器移到該電控柜，相應(yīng)的接線及引線作必要的改動，這樣處理后，干擾基本消除，故障排除。

　　例3，某變頻控制系統(tǒng)，切換兩套機泵，原先機泵是靠自耦降壓啟動工頻運行正常，現(xiàn)改為變頻運行，雖能實現(xiàn)調(diào)頻減速功能，但變頻器輸出端到電動機間的輸出線嚴重發(fā)熱，電動機外殼溫升加重，經(jīng)常出現(xiàn)保護跳閘。這是由于變頻器輸出電壓和電流信號中包含PWM高次諧波，而諧波電流在輸出導(dǎo)線和電動機繞線上形成附加功率損耗。

　　解決辦法：把變頻器輸入線與輸出線分開，分別走各自的電纜溝，選用大一號截面的電纜換原先電纜，輸出端與電動機之間的電纜長度盡可能短。這樣處理后，發(fā)熱故障排除。對現(xiàn)場出現(xiàn)的各種變頻器高次諧波干擾，基本上都能照以上介紹的方法順利抑制，但對諧波成分及幅度要求很嚴的設(shè)備，徹底抑制高次諧波干擾非常困難，有待進一步攻關(guān)解決。

　　吳忠智，吳加林。變頻器應(yīng)用手冊。北京：幾械工業(yè)出版社，2002許振茂。變頻調(diào)速器使用手冊。北京：兵器工業(yè)出版社，1992