抑制或削弱谐波及变频器电磁干扰的方法

　　1 抑制或削弱谐波影响的方法

　　（1）为什么提高载波频率可抑制或削弱谐波？
                       
　　变频器的载波频率是可调的，一般2耀16kHz，当谐波较大时，尽可能提高载波频率，尤其是国产变频器。一般出厂值载波频率都设置在较低值，目的是为了减少IGBT的功耗。例载波频率从2kHz提高到16 kHz 时，即增加8 倍，功耗约增加2耀2.5倍，而发热量增加4耀6.25倍，当载波频率提高后，输出电流波形正弦性能变好，毛刺减少，波形光滑，对减少谐波有利，所以适当提高载波频率，对抑制或减少谐波有利。
                       
　　（2）如何提高变频器输出频率来减少谐波？
                       
　　输出频率提高对减少谐波影响有利，只要使用许可，尽可能提高输出频率，具体参考见表1.

 　　随输出频率提高，谐波的绝对值增加，但相对50 Hz的相对值是减小的。

　　（3）加输入交流电抗器能否削弱变频器输入端的谐波？
                       
　　交流电抗器串接于三相输入电路中的滤波效果不是很好，用后能将cos渍提高到0.75耀0.85。
                       
　　1）当电压为380 V，变压器容量在500 kV·A以上，或大于变频器容量的10倍时，配电变压器容量及变频器容量与选用交流电抗器的关系如图1 所示。

　　2）电源输出电压三相不平衡率大于3豫。
                       
　　3）当配电变压器接有功率因数补偿电容时，或有晶闸管（SCR）整流装置时，对6 脉冲整流器，电抗器LAC 安装与否的比较，如图2 所示。LAC 电抗值的大小与各次谐波电流的关系如图3 所示。

                      
　　 从图3可见LAC对抑制5耀19次谐波效果很显著，一般选用时使电抗器上的电压降约在额定电压的3%为宜。当然也可串接于变频器的输出电路中，它的作用主要是抑制变频器的发射干扰和感应干扰，抑制电动机的电压波动效应，其配置方式为额定功率臆18.5kW 的变频器，一般内置；额定功率逸22 kW 的变频器，一般外置，也有需要另外配置的情况。

　　（4）如何选择交流电抗器参数？
                       
　　交流电抗器数据如表2所列。

1 抑制或削弱谐波影响的方法

　　（1）为什么提高载波频率可抑制或削弱谐波？
                       
　　变频器的载波频率是可调的，一般2耀16kHz，当谐波较大时，尽可能提高载波频率，尤其是国产变频器。一般出厂值载波频率都设置在较低值，目的是为了减少IGBT的功耗。例载波频率从2kHz提高到16 kHz 时，即增加8 倍，功耗约增加2耀2.5倍，而发热量增加4耀6.25倍，当载波频率提高后，输出电流波形正弦性能变好，毛刺减少，波形光滑，对减少谐波有利，所以适当提高载波频率，对抑制或减少谐波有利。
                       
　　（2）如何提高变频器输出频率来减少谐波？
                       
　　输出频率提高对减少谐波影响有利，只要使用许可，尽可能提高输出频率，具体参考见表1.

 　　随输出频率提高，谐波的绝对值增加，但相对50 Hz的相对值是减小的。

　　（3）加输入交流电抗器能否削弱变频器输入端的谐波？
                       
　　交流电抗器串接于三相输入电路中的滤波效果不是很好，用后能将cos渍提高到0.75耀0.85。
                       
　　1）当电压为380 V，变压器容量在500 kV·A以上，或大于变频器容量的10倍时，配电变压器容量及变频器容量与选用交流电抗器的关系如图1 所示。

　　2）电源输出电压三相不平衡率大于3豫。
                       
　　3）当配电变压器接有功率因数补偿电容时，或有晶闸管（SCR）整流装置时，对6 脉冲整流器，电抗器LAC 安装与否的比较，如图2 所示。LAC 电抗值的大小与各次谐波电流的关系如图3 所示。

                      
　　 从图3可见LAC对抑制5耀19次谐波效果很显著，一般选用时使电抗器上的电压降约在额定电压的3%为宜。当然也可串接于变频器的输出电路中，它的作用主要是抑制变频器的发射干扰和感应干扰，抑制电动机的电压波动效应，其配置方式为额定功率臆18.5kW 的变频器，一般内置；额定功率逸22 kW 的变频器，一般外置，也有需要另外配置的情况。

　　（4）如何选择交流电抗器参数？
                       
　　交流电抗器数据如表2所列。

　　（5）直流电抗器的作用如何？
                       
　　直流电抗器串接于整流桥和滤波电容之间，其结构简单，体积小（单相），滤波效果好，可使cos渍提高到0.95。其装置方式有内置及另配两种方式。装直流电抗器后，输入侧谐波电流明显下降，基波电流也增加，如图4（c）所示。

　　（6）直流电抗器都有哪些参数？
                       
　　直流电抗器数据如表3所列。

　　（7）交流电抗器XL对输入电流有何影响？
                       
　　接入电抗器时输入电流波形及接入交流电抗器和直流电抗器时的变频器电路如图4 所示。
                       
　　（8）采用电源匹配电感后，对输入电路的特性有何改善？
                       
　　采用电源匹配电感器后电源改善特性如表4所列，此装置成本较高，性能较佳，一般装于输入端最前面。从表4看出，变频器功率臆75kW 时，输入电流减小功率因数提高，二者效果比较明显。

       （9）零序噪声滤波器如何使用？
                       
　　降低无线电干扰的零序电抗器FL-Z，可分别装于输入端及输出端，要求较低时选用。
                       
　　依功率不同及配线线径大小，可选用适当的零相序噪声滤波器。利用零相序噪声滤波器的高衰减特性（由调幅频域100kHz耀50 MHz均有很高的衰减特性），可有效抑制变频器对外所产生的辐射干扰。零序噪声滤波器，可使用在变频器的输入侧或输出侧，使用时可将各相配线依同一方向绕几圈，所绕圈数越多，效果越佳。而当配线太粗，无法卷绕时，也可将各相配线依同方向，以直接贯穿方式，同时串列几组零相序噪声滤波器。
                       
　　（10）无线电噪声滤波器的作用如何？
                       
　　无线电噪声滤波器用于抑制变频器产生的电磁干扰噪声的传导，也可抑制外界无线电干扰以及瞬时冲击，浪涌对电机的干扰。

　　（11）使用电源高通滤波器要注意什么？
                       
　　一般高通式输入C-L-C 滤波电路，它是串接于电源端子上的，见图5。高通式输出L-R-C滤波电路，它是串接于输出电路中的，见图6。注意两者不能接错。当变频器容量大于等于22 kW时一般选用并接方式的电源滤波器。电源滤波器在要求较高时选用。

　　（12）怎样选择电源高通滤波器的参数？
                       
　　电源滤波器选择如表5 所列。

2 抑制变频器的电磁干扰
                       
　　（1）什么情况下要抑制变频器的电磁干扰？
                       
　　应用变频器的输入、输出都是要产生谐波的，尤其是对输出干扰影响较大。变频器产生的电磁干扰能量主要是经电动机电缆线、电源线、接地线的传导向外传播的。当变频器容量大于等于电源变压器容量的10%，且输出线路长度大于100m及附近有较高敏感度的电子器件、仪表等设备，而电动机的功率为几十到几百千瓦时，电磁干扰问题就不可忽视了，必须采取一定的有效抑制方法（电磁兼容性EMC），方可使变频器和其他设备互不影响。
                       
　　（2）易受电磁干扰影响的电气设备有哪些？
                       
　　1）弱信号模拟测量电路，如热电偶、热敏电阻、应变片、化学pH值测量等。
                       
　　2）模拟测量电路测量信号虽大于1 V，但当引线较长或要求分辨率达0.1%时。
                       
　　3）频带较宽的模拟信号电路，如音频电器等。
                       
　　4）视频电路，如闭路电视、计算机显示器等。
                      
　　5）数据传输线未加屏蔽或布线不适当时（但一般RS232、RS485通信及Ethernet网都有良好的抗干扰性）。
                       
　　6）采用高频振荡器的接近传感器，尤其是电容类型的。
                       
　　7）无线电通信设备。
                       
　　（3）有效抑制电磁干扰的措施有哪些？
                       
　　1）一般措施如下。
                       
　　淤信号线信号线不能与未屏蔽的电动机电缆或未经滤波的电源线相平行。一般有以下规则：
                       
　　当两者平行长度大于1 m时，信号线与电源线的距离小于300 mm；当平行长度为1耀10 m时，两者距离大于300mm；如果平行长度大于10 m，则两者距离应成比例增大，如果平行长度为40 m，则两者距离应为40/10伊0.3 m越1.2 m。信号线与变频器的距离至少为300mm。如果距离过近，应采用屏蔽信号线，但不包括与变频器相接的信号线。
                       
　　于接地变频器控制柜应装有公共接地母线，如图7所示。电源地及其他电路的地都应接公共接地端，变频器本身的接地端不能作为公共接地端，电动机电缆（四芯电缆）中地线的两端应分别接到变频器和电动机接地端，变频器的控制端与其他电路应通过0V端子共地，变频器输入端接地线应尽可能短。如果要求控制电路与地隔离可通过一只100 滋F电容器接地或采用屏蔽线且屏蔽层接地。

 　　盂电源滤波器一般情况下，变频器可以不装电源滤波器。但当供电电路中接有其他易受电磁干扰设备或屏蔽的电动机电缆长度超过40m或非屏蔽的电动机电缆长度超过10 m，造成电源线中电磁波干扰电压增高时，应装电源滤波器。
                       
　　图8 为一种低成本的电磁干扰抑制方法。电源侧电容器使流入电源线的电磁干扰电流降为原来的1/10或更少。电容器应尽可能靠近变频器，且接线要短。电动机的出线从铁氧体环中穿过，使穿过部分导线的阻抗局部增大，阻止电磁干扰电源通过。如将导线在环上绕几圈，则总的电感和阻抗值将随圈数二次方而增大，一般以2耀3 圈为宜。注意接地线必须环外。

　　2）强化措施如下。
                       
　　淤降低载波频率虽然是载频高，干扰大，但电流波形好，噪声小，所以可适当地选取，做到两者兼顾。当电动机功率较大，出线又长，为减小干扰影响，可适当降低载频，这样对抑制电磁干扰较为有利。变频器与电动机距离及选用载波频率如表6所列。

　　于屏蔽电动机电缆此法是有效的。用四芯电缆一芯接地或屏蔽电缆（铠装）或输出电缆穿铁管并接地，但屏蔽层应分别接变频器和电动机的接地端且两端都要接地。当易受干扰的电路或装置远离，但两者电路布线同槽或同沟时，一般每平行10m长度，至少要用1 m的间距。电磁干扰严重的现场，屏蔽层只能在电动机处接地，阻止50 Hz 环流的形成，而另一端可用一只1 滋F、250V的电容器串接后再接地。
                       
　　对电磁干扰非常敏感装置的措施如下。
                       
　　一般情况下，在距离变频器10 m处能无干扰，小于这个距离或对很微弱信号仍可能有影响时，可采取以下措施：
                       
　　淤除安装制造厂提供的符合标准的滤波器外，也可选用由两级LC 电路构成的滤波器，这对抑制100 kHz耀300MHz 的电磁干扰更有效果。
                       
　　于变频器单独电源供电，对特别敏感的装置可采用加一个隔离变压器或开关电源的供电方式。
                       
　　（4）抑制共模干扰电压的方法有哪些？
                      
　　 1）可增设共模扼流电抗，增加线路阻抗。
                       
　　2）在串联谐振电路中，插入阻尼电阻，成为共模变压器CMT。
                       
　　3）用EMI滤波器对变频器输出滤波器分流。
                       
　　4）用共模电压分压方式。
                      
　　5）利用滤波器产生与漏电流相位相反的电流，将其抵消。
                       
　　6）利用有源噪声消除器（ACC），产生反相位电压去抵消。
                      
　　7）使用隔离变压器。
                       
　　8）使用电源滤波器。
                       
　　9）使用不间断电源UPS或EPS。
                       
　　10）用开关电源等来减小消弱甚至抵消共模电压，以减小其造成的影响程度。
                       
　　11）采用绝缘型轴承。
                       
　　12）单独保护接地。
                       
　　（5）隔离变压器、开关电源、UPS 不间断电源的作用是什么？
                       
　　变频器在自动控制中往往要配置一定的外围设备，尤其当闭环控制时更是如此，常用的二次仪器、仪表其电源电压多数是220V的，即从三相四线中的相线L与中性线N得到，这样谐波容易构成回路，对二次仪表产生不良影响，主要表现在：
                       
　　1）原设定值不稳定，有上下波动。
                       
　　2）原设定值上升，尤其温度控制仪表更加敏感，其他如调节器、传感器等亦有反应。
                       
　　为改变此状况，采用将单相220V电源先进入隔离变压器，其输出再进二次仪表输入端，这样能有效隔离谐波进入二次仪表，效果较好，如图9 所示。

　　在要求更高时，亦可采用开关电源及UPS 供电，目前都可市场现购，只要提供输入、输出电压及容量就可，如图10所示。

　　（6）输入滤波器与噪声滤波器的区别是什么？
                       
　　两者都用于削弱频率较高的谐波电流，防止通过电磁辐射干扰附近设备的工作。区别在于输入滤波器的电路比较复杂，而噪声滤波器通常用3个电容器即可。另外，输入滤波器频带较宽，通常无线电调幅频率到10MHz，噪声滤波器频带较窄，通常为1 MHz。
                       
　　（7）正弦滤波器的作用是什么？
                      
　　 正弦滤波器的作用在于滤除在逆变器输出的由PWM载波频率引起的谐波，从而使逆变器的输出电压为正弦波。这种类型的滤波器最适于低性能的传动系统。
                       
　　在逆变器输出侧采用滤波器带来一些实际的问题有：
                       
　　淤增加了变频器的价格。

　　于滤波器的功耗和滤波器电抗引起压降。
                       
　　盂由于在滤波器电感、电容和直流环节电容之间的环流，使得电力电子器件的额定值略有降低。
                       
　　榆由于正弦波滤波器引起的延时，使转矩响应速度变慢。

                       
　　（8）怎样防止谐波线路传播引起的干扰？
                       
　　谐波线路传播常是比较主要的干扰途径，防止的方法主要有：当受干扰设备为大容量电子设备时，在变频器的输入侧接入交流电抗器；当受干扰设备为小容量电子仪器时，加入滤波电路，或隔离变压器；采用正确的接地方法。
                       
　　（9）怎样防止电磁辐射引起的干扰？
                       
　　主要方法有：加强变频器、主电路及受干扰设备的屏蔽等；降低载波频率；所有的金属外壳，主电路的金属管等，都必须良好接地；接滤波器。
                       
　　（10）怎样防止因感应引起的干扰？
                       
　　感应干扰主要发生在各种设备的控制线路中，防止的方法有：正确布线，所有的控制线都应该远离变频器的主电路，使它们不受主线路电磁场的影响，各种设备的控制线不要和变频器的主电路平行；模拟量控制信号大多是直流信号，故可以通过滤波和隔离的方法把由感应引起的附加高频信号削弱或消除；使信号线相绞，因为感应电动势都呈回路状，信号线相绞后，可使相邻两个“绞圈”内的感应电动势互相抵消；采用屏蔽线。
                       
　　（11）变频器相互间是否干扰？
                       
　　多台变频器之间也可能互相干扰，一般说来，大致有两种情况：
                       
　　1）多台变频器在同一控制柜中。同一控制柜内多台变频器相互干扰的结果往往是各台变频器都不能正常工作。大多属于感应干扰。解决的方法有：淤从控制线布线入手。使各变频器控制线远离其他变频器的主电路，防止与其他变频器的主电路平行布线。
                       
　　于从主电路入手。控制柜内使用金属配电板，所有变频器的主电路都从板后走线，如图11所示。

 　　2）变频器在同一电路中。多台变频器在同一电路中时，容易使线路电压的波形发生畸变，导致变频器因“过压”或“欠压”而误动作（跳闸）。具体情况也有两种。
                       
　　淤变频器容量大、台数少。大容量变频器在运行时，线路电压有可能发生严重畸变。在这种情况下，所有变频器都应配置交流电抗器。
                       
　　于变频器容量小、台数多。当线路中有很多小容量变频器同时运行时，线路电压的波形虽不一定发生严重畸变，但有许多维持时间很短（滋s级）的“毛刺”，导致各变频器不规则跳闸。解决的方法最好是在每个变频器的输入侧都接滤波器；也可以通过预置变频器的“重合闸”功能来防止变频器停机。