信號隔離器在變頻器諧波干擾防治實例
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,因此,變頻器投入電網(wǎng)運行時,需要考慮電網(wǎng)電壓是否對稱,變壓器容量的大小及配電母線上是否接有非線性設(shè)備等;另一方面,變頻器本身輸入側(cè)是一個非線性整流電路,對電源的波形將有影響,變頻器輸出側(cè)電壓、電流、非正弦或非完全正弦波含有豐富的諧波。由于變頻器中要進(jìn)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(fù)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、危害以及有效防止或抑制干擾的對策。
2變頻器諧波產(chǎn)生機理
變頻器的主電路一般為交-直-交組成,外部輸入380V/50Hz的工頻電源經(jīng)三相橋式不可控整流成直流電壓信號,經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號。
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+1(n=l,2,3….)次諧波。其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。
輸出側(cè)產(chǎn)生諧波機理:在逆變輸出回路中,輸出電壓和電流均有諧波。對于PWM控制的變頻器,只要是電壓型變頻器,不管是何種PWM控制,其輸出電壓波形為矩形波。其中諧波頻率的高低是與變頻器調(diào)制頻率有關(guān),調(diào)制頻率低(如1~2KHz),人耳聽得見高次諧波頻率產(chǎn)生的電磁噪聲(尖叫聲)。若調(diào)制頻率高(如 IGBT變頻器可達(dá)20KHz),人耳聽不見,但高頻信號是客觀存在。從電壓方波及電流正弦鋸齒波,用傅立葉級數(shù)不難分析出各次諧波的含量。所以,輸出回路電流信號也可分解為只含正弦波的基波和其它各次諧波,而高次諧波電流對負(fù)載直接干擾。另外高次諧波電流還通過電纜向空間輻射,干擾鄰近電氣設(shè)備。
3諧波干擾途徑
變頻器諧波干擾途徑還是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,其干擾途徑如圖1所示。
4諧波干擾的危害
(1)變壓器:電流諧波將增加銅損,電壓諧波將增加鐵損,綜合效果是使變壓器溫度上升,影響其絕緣能力,并造成容量裕度減小。諧波也可能引起變壓器繞組及線間電容之間的共振,及引起鐵心磁通飽和或歪斜,而產(chǎn)生噪聲。
(2)電動機:輸出諧波對電動機的影響主要有,引起電動機附加發(fā)熱,導(dǎo)致電動機的額外溫升,電動機往往要降額使用,由于輸出波形失真,增加電動機的重復(fù)峰值電壓,影響電動機的絕緣,諧波還會引起電動機轉(zhuǎn)矩脈動,以及噪聲增加。
(3)電力電容器組:一般電容器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,規(guī)定其最大電流只允許35%的超載,但實際運轉(zhuǎn)時,由于諧波的影響,以致常發(fā)生嚴(yán)重過載。由于電容器之阻抗,隨頻率的增加而減少,故諧波產(chǎn)生時,電容器即成為一陷流點,流入大量電流,因而導(dǎo)致過熱、增加介電質(zhì)的應(yīng)力,甚至損壞電力電容器。當(dāng)電容器與線路阻抗達(dá)到共振條件時,會發(fā)生振動短路、過電流及產(chǎn)生噪聲。
(4)開關(guān)設(shè)備: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。
(5)保護電器:電流中含有諧波,必產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩,改變電器的動作特性,以致引起誤動作。
(6)計量儀表:電能表等計量儀表,因諧波而會造成感應(yīng)轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩,引起誤差,降低精確度。
(7)電力電子設(shè)備:在多種場合,電子設(shè)備常會產(chǎn)生諧波的電流源,且很容易感受諧波失真而誤動作。
(8)其它還有如照明設(shè)備、通信設(shè)備、電視及音響設(shè)備、電腦設(shè)備、載頻遙控設(shè)備等都容易受諧波的干擾而影響其正常的工作或減少其使用壽命。
5抑制諧波干擾的對策
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(jìn)行屏蔽。具體的常用方法有:
5.1在變頻器輸入側(cè)的對策:
(1)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。
(2)設(shè)置交流電抗器。
(3)設(shè)置交流濾波器。
(4)整流器的多重化技術(shù),對于大容量晶閘管變頻器可以采取這種方法,將電源側(cè)整流器分兩個,在其輸入側(cè)裝設(shè)Y,y-d或D,y-d繞組聯(lián)結(jié)的變壓器,利用多重化抑制流向電源側(cè)的高次諧波。因為需要將整流器分開,所以在通用變頻器中不采用[1]。
5.2在變頻器輸出側(cè)的對策
防止輸出側(cè)諧波干擾的對策,大致分為兩大類,第一類屬傳統(tǒng)式,即向降低雜訊大小入手;第二類屬于新嘗試,其基本的觀念及作法是企圖將無意義的雜訊轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛇x擇的咨詢。這種方法在試驗中證實了其有效性[2]。其中第一類方法可分為:
(1)采用高于人耳不能聽到的開關(guān)頻率高的電力電子器,如MOSFET,IGBT等;
(2)在變頻器輸出端后加裝濾波器使送至電力設(shè)備前的電源波形為正弦波;
(3)改善PWM調(diào)制方法,降低諧波含量;
(4)用閉環(huán)控制的方法,如ADSM及DSMC,來改善一般傳統(tǒng)PWM的諧波現(xiàn)象。
另外,在電動機和變頻器之間的電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜,并與其它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[3]。
6抑制諧波干擾實例
例1,某變頻切換控制系統(tǒng),變頻器啟動運行正常,而鄰近液位計讀數(shù)偏高,一次表輸入4mA時,液位顯示不是下限值;液位未到設(shè)定上限值時,液位
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