变频器电磁谐波污染及抑制措施
虽然变频器在工业生产中具有无可比拟的优越性，但是由于变频器中要进行大功率二极管整流、大功率晶体管逆变，结果是在输入输出回路产生高次谐波电流，对供电系统、负载及其他邻近电气设备产生干扰，尤其是在对防干扰要求比较高的高精度仪表、计算机控制系统等应用中，谐波干扰问题尤为突出。
交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，在异步电动机各种调速方式中，变频调速传动系统占有极其重要的地位。这类系统具有功率因数高、输出谐波小、起动平稳、调速范围宽等优点，在各个行业均已成功应用，由于变频器具有高效、节能和智能化的特点，已经成为提高能源产出和控制特性、改善机械设备性能的一个强有力的途径。
变频器谐波产生机理
实际上不限于通用变频器，晶闸管供电的直流电动机、无换向器电动机等凡是在电源侧有整流回路的，都将产生因其非线性引起的高次谐波。
输入端谐波产生机理变频器的主电路一般为交一直一交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压，经电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流电压。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，谐波次数通常为6n±1次高次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。如果电源侧电抗充分小、换流重叠角"可以忽略，那么n次高次谐波为基波电流的1/n。
输出端谐波产生机理
在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形。对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2-3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含基波和其他各次谐波。
高次谐波危害
与一般无线电电磁干扰一样，变频器产生的高次谐波通过传导、电磁辐射和感应耦合三种方式对电源及邻近用电设备产生谐波污染。传导是指高次谐波按着各自的阻抗分流到电源系统和并联的负载，对并联的电气设备产生干扰，感到耦合是指在传导的过程中，与变频器输出线平行敷设的导线又会产生电磁耦合形成感应干扰电磁辐射是指变频器输出端的高次谐波还会产生辐射作用，对邻近的无线电及电子设备产生干扰。
高次谐波的危害具体表现在以下几个方面。
变压器
电流和电压谐波将增加变压器铜损和铁损，结果使变压器温度上升，影响绝缘能力，造成容量裕度减小。谐波还能产生共振及噪声。
感应电动机
电流和电压谐波同样使电动机铜损和铁损增加，温度升。同时谐波电流会改变电磁转距，产生振动力矩，使电动机发生周期性转速变动，影响输出效率，并发出噪声。
电力电容器
当高次谐波产生时由于频率增大，电容器阻抗瞬间减小，涌人大量电流，因而导致过热、甚至损坏电容器，还有可能发生共振，产生振动和噪声。
开关设备
由于谐波电流使开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率，使暂态恢复峰值电压增大，破坏绝缘，还会引起开关跳脱、引起误动作。
保护电器
电流中含有的谐波会产生额外转距，改变电器动作特性，引起误动作，甚至改变其操作特性，或烧毁线圈。
计量仪表
计量仪表因为谐波会造成感应盘产生额外转距，引起误差，降低精度，甚至烧毁线圈。
电力电子设备
电力电子设备通常靠精确电源零交叉原理或电压波形的形态来控制和操作，若电压有谐波成分时，零交叉移动、波形改变、以致造成许多误动作。
高次谐波还会对电脑、通信、设备电视及音响设备、载波遥控设备等产生干扰，使通信中断，产生杂讯，甚至发生误动作，另外还会对照明设备产生影响。
变频器高次谐波污染的解决途径
变频器输入侧高次谐波污染的解决途径
(1)在变频器交流输入侧设置交流电抗器增大整流阻抗使整流重叠角增大，减小高次谐波。
(2)在电力回路中并联使用交流滤波器，能将来自变频器的高次谐波分量与电源系统分流。
(3)对于装设多台变频器的场合，可各配专用的变压器，利用输入变压器相位错开的方法抑制高次谐波。
变频器输出侧高次谐波污染的解决途径
降低PWM控制的输出波形中所含有的交流谐波成分带来的磁杂讯技术已越来越多地在各种变频器中得到应用，如采用更高频率的开关元件、变频器输出端加装滤波器，用随机法调节切换频率和闭环控制改善高次谐波。
不管采用何种方法，都不可能完全解决高次谐波的污染问题，在实际工业生产中为消除变频器高次谐波对电气设备的干扰，主要从传导、辐射和耦合三个方面解决。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传导的高频电流滤掉或者隔离I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。
除了采用诸如隔离、屏蔽、接地、合理布线等抑制干扰传播的技术方法以外，还可以采取回避和疏导的技术处理，如滤波、吸收和旁路等等，这些回避和疏导技术简单而巧妙，有时可以代替成本费用昂贵而质量体积较大的硬件措施，收到事半功倍的效果。
实际工程抗干扰措施应用
隔离措施
隔离技术是电磁兼容性中的重要技术之一。所谓干扰的隔离，是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。电磁兼容的隔离技术分为磁电、光电、机电和声电等几种隔离方式。
(1)在变频调速传动系统中，通常是在电源和放大器电路之间电源线上采用隔离变压器以消除传导干扰。
(2)使所有的信号线很好地绝缘，使其不可能漏电，这样，防止由于接触引入的干扰。
(3)将不同种类的信号线隔离铺设(在不同一电缆槽中，或用隔板隔开)，可根据信号不同类型将其按抗噪声干扰的能力分成几等。模拟量信号、低电平开关信号用的数据通信线路建议用屏蔽双绞线连接，模拟量信号线必须单独占用电缆管或电缆槽。低电平开关信号、数据通信线路也要单独走线，不可和动力线和大负载信号线在一起平行走线。高电平的开关量的输入输出以及其他继电器输入输出信号建议用双绞线连接，也是单独走电缆管或电缆槽。
(4)在计算机控制系统中对开关量信号则可以采用光电耦合器件进行隔离输入，必要时信号也可以选用光缆进行传输。
(5)机电隔离一般采用有触点电磁继电器来实现，从而阻止了电路耦合产生的电磁干扰的传输，但是继电器的线圈工作频率较低，不适用于工作频率较高的场合，另外为解决在触点通断时的火花干扰还需加装R-C熄火花电路。
(6)声电隔离是利用正压电效应进行换能，实现电气隔离，主要应用在电视和通信中，作为带通、带阻滤波器，鉴频器和振荡器等等。
屏蔽技术
屏蔽是提高电子系统和电子设备电磁兼容性的重要措施之一，它能有效地抑制通过空间传播的各种干扰，既可阻止或减少电子设备内部的辐射电磁能对外的传输，又可阻止或减少外部辐射电磁能对电子设备的影响。
屏蔽按机理可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽，对于变频器应用而言最常见的是电场屏蔽，即用金属导体，把被屏蔽的元件、组合件和信号线包围起来。这种方法对电容性耦合噪声抑制效果很好。
(1)用双绞线代替两根平行导线是抑制磁场干扰的有效办法。
(2)屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效地方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏，输出线最好采用专用的屏蔽电缆或用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短(一般为20m以内)，且信号线采用对绞屏蔽，并与主电路的输入和输出线及控制线完全分离，决不能放于同一配管或线槽内，周围电子仪表、变送器等敏感装置的线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。
滤波技术
滤波器既可抑制从电子设备引出的传导干扰，又能抑制从电网引入的传导干扰。干扰滤波器安装在电源线与电子设备之间。它可使工频电源通过，而阻止高频噪声通过，对提高设备的可靠性有重要作用。
(1)当系统的抗干扰能力要求较高时，为减少变频器高次谐波对电源的污染，可在电源输入端并联电源滤波器。
(2)为抑制变频器输入侧的谐波电流，改善功率因素，可在变频器输入端串联交流电抗器。
(3)为改善变频器输出电流，减少电动机噪声，可在变频器输出端串联交流电抗器。
(4)为减少电磁噪声和损耗，在变频器输出侧可设置输出滤波器，为减少对电源干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器，应把滤波器外壳与变频器外壳牢固可靠地固定在一起，否则会增大接触电阻，降低滤波性能：尽量避免滤波器的输入导线与输出导线存在耦合，以免降低滤波器对干扰信号的抑制能力，最有效的解决办法是将滤波器安装在变频器机壳的进线处。
接地措施
接地的作用有两类：一是保护人和设备不受损害，此类接地叫保护接地：二是抑制干扰，此类接地又叫工作接地。接地是抑制电磁干扰、提高电子设备电磁兼容性的重要手段之一。正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。
为了使变频控制系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度，必须为变频器设立可靠地工作接地。它分为电源地、信号地、模拟地(AG屏蔽地)，在石化和其他防爆系统中还有本安地，按其接地点方式又分为单点地、多点地、混合地和浮地。
(1)变频器系统地
变频器系统的正确接地是提高变频器抑制噪声能力和减小变频器干扰的重要手段，因此在实际应用中一定要非常重视。从抑制干扰的角度来看，将电力系统地和变频器系统的所有地分开是很有好处的，因为一般电力系统的地线是不太干净的。但从工程角度来看，在有些场合下单设变频器系统地并保证其与供电系统地隔开一定距离是很困难的，这时可以考虑能否将变频控制系统地和供电地(PG)共用一个时，还要考虑几个因素：
1)系统地上是否干扰较小，有无大电流设备起停频繁，
2)供电系统地的接地电阻是否很小，而且整个接地网各个部分的电位差是否很小；
3)变频控制系统的抗干扰能力以及所用到的传输信号的抗干扰能力是否够大，如有无小信号(热电偶，热电阻)的直接传输等。
假若上述均成立则共地成立，否则不能共地。具体做法是各种变频器系统地在机柜内部自己分别接地，汇于变频机柜内的AG汇流排，然后用较粗的导体(铜)将各汇地点联起来，接到一个公共的接地体(PG)上，禁止将变频器系统地接到避雷地上。
另外，变频器的各种接地在没汇到接地汇流排前，彼此之间应保证绝缘，避免接地干扰。
(2)屏蔽接地
在通信速率低于1MHz时，选用一点接地效果较好，对于采用Profibus，Modbus总线控制的高速率(>30MHz)。通信控制电缆的屏蔽层应该选用多点接地，即在该电路系统中，用一块接地平板代替电路中每部分各自接的地回路。因为接地引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗，从而影响屏蔽接地效果，所以要求地线的长度尽量短。采用多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地，并最好也应该两端接地，并且采取在通信线路较长时在网络的终端加终端匹配电阻等抗干扰措施。对于电缆的多点接地，一个附加的好处是可以减少屏蔽层的静电耦合。
另外，还有一个根据传输信号的波长来判别接地方式的参考标准。以传输信号的波长λ的1/4为界，通信传输线长度小于λ/4时采用一点接地：长度大于λ/4时，由于屏蔽层也能起到天线作用，应采用多点接地。在多点接地时，最理想的情况是每隔0．05-0．1λ有一个接地点。
对于抗干扰要求非常高的场合，可采用双重静电屏蔽的电缆，此时，外屏蔽层接至屏蔽地线，内屏蔽层接至系统地线。对于共模干扰严重的场合，可通过添加共模电感来消除共模干扰，对于多点地电位浮动的场合，可采用DC/DC隔离模块来实现电气隔离，彻底杜绝干扰。
(3)信号接地
在采用外部传感器的闭环控制系统中，距离较远时，一定要保证外部设备和变频器的可靠独立接地，或者选用传感器外壳不与控制屏蔽层连接的传感器，在变频器侧实施一点接地，距离较近时，可采用公共接地母排接地，保证传感器与控制设备接地点之间电位差近似为零，从而消除地环流形成的干扰。但在有些场合，现场端必须接地，这时，必须注意原信号的输入端子绝对不许和变频控制系统的接地线有任何电气连接，而变频控制系统在处理这类信号时，必须在前端采用有效的隔离措施。
(4)本安接地
本安接地是本安仪表或安全栅的接地。这种接地除了抑制干扰外，还有使仪表和系统具有本质安全性质的措施之一。本安接地会因为采用的设备不同而不同，安全栅的作用是保护危险现场端永远处于安全电源和安全电压范围之内。如果现场端短路，则由于负载电阻和安全栅电阻月的限流作用，会将导线上的电流限制在安全范围内，使现场端不至于产生很高的温度，引起燃烧。第二种情况，如果变频器一端产生故障，则高压电信号加入了信号回路，由于齐纳二级的嵌位作用，也使电压位于安全范围。值得提醒的是，由于齐纳安全栅的引入，使得信号回路上的电阻增大了许多，因此，在设计输出回路的负载能力时，除了要考虑真正的负载要求以外，还要充分考虑安全栅的电阻，留有余地。齐纳式安全栅接线原理如图5所示
安全栅B、E、D三个接地点，通常B和E两点都在计算机这一侧，可以连在一起，形成一点接地。而D点是变送器外壳在现场的接地，若现场和控制室两接地点间有电位差存在，那么，D点和正点的电位就不同了。假设我们以E作为参考点，假定是D点出现10V的电势，此时，A点和E点的电位仍为24V，那么A和D间就可能有34V的电位差了，己超过安全极限电位差，但齐纳管不会被击穿，因为A和E间的电位差没变，因而起不到保护作用。这时如果不小心现场的信号线碰到外壳上，就可能引起火花，可能会点燃周围的可燃性气体，这样的系统也就不具备本安性能了。所以，在涉及到安全栅的接地系统设计与实施时，一定要保证D点和B(E)点的电位近似相等。在具体实践中可以用以下方法解决此问题：用一根较粗的导线将D点与B点连接起来，来保证D点与B点的电位比较接近。另一种就是利用统一的接地网，将它们分别接到接地网上，这样，如果接地网的本身电阻很小，再用较好的连接，也能保证D点和B点的电位近似相等。但注意，此接地一定与上面几种接地发生冲突。
随着工业生产技术的逐步提高，变频器使用范围的逐步加大，变频器高次谐波带来的电磁干扰和污染问题也越来越突出，怎样处理好变频器系统的谐波干扰污染成了变频器进一步推广应用，特别是在对谐波污染要求高的场所的推广应用的关键。本文从变频器工程实际应用出发，从隔离、屏蔽、滤波和接地四个方面全面阐述了抑制和消除干扰的方法，对 提高变频器等工业设备运行的可靠性和安全性具有一定指导意义。
试一试系统节电器，这东西有几种，一种是过压式，比如将每相对地超过270伏的谐波切掉，一种是堵截式比如用一个职能的电抗器串在电路中，对工频电流全部放过，对高频部分加以抑制。还有一种是补偿式，比如电网有一个尖峰电流，节电器立即反峰加一个，将其平掉。第一种可以防止绝缘损伤，可以减少电器铁损，节电效果较差，没有补偿效果，但造价最低。第二种一般在第一种的基础上工作，节电效果更好，也没有补偿作用，造价也不高，第三种在前两种的基础上工作，有动态补偿效果，节电效果最好，但造价也最高，对于100千伏安的以下的小系统，应使用第一种，对100到1000千伏安的系统应当使用第二种，对1000千伏安以上系统应当使用第三种，第三种的节电率在12%以上，节电器的投资回收期起半年左右。节电器还有负荷节电器，可以直接安装在变频器的进线前，将谐波压在进线以后。总之是个好东西。
05-06-13 00:20