工业变频器的干扰与对策
摘要：本文主要介绍了工业变频器的各种干扰情况。特别介绍了谐波的概念、谐波产生、危害、及防治方法，以及其他干扰的产生的原因，危害，及处理方法。并以表格形式对各种干扰的措施、原理及防治对象进行比较。在实际工作中对防治变频器的干扰有较强的借鉴意义。
关键词：变频器 干扰 原因 防治 措施
工业变频器经过几十年的发展，目前已处于普及和应用阶段。特别是煤矿企业，近几年变频器的应用突飞猛进，在大型的皮带运输和斜巷绞车的应用已很普遍。但是变频器的大规模应用使得电网污染问题成为一个严重问题。尤其在该设备集中应用的场合，如何解决干扰问题几乎成了自动化系统能否正常工作的决定因素，同时对保证矿井供电和各种保护的正常运行有着重要的意义。
本文就变频器的干扰和防治问题进行探讨。
1 变频器谐波的产生、危害及防治
从结构上来看，变频器有间接变频器和直接变频器之分。间接变频器将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流。而直接变频器是将工频电流直接变换成可控频率的交流，没有中间的直流环节。目前应用较多的是间接变频器。
间接变频器有三种不同的结构方式：（1）用可控整流器变压，用逆变器变频，调压和调频分别是在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合；（2）用不控整流器整流斩波器变压，用逆变器变频，这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽调压；（3）用不控整流器整流，用PWM逆变器变频，这种变频器只有采用可控关断的全控式器件（如IGBT等），输出波形才会非常逼近正弦波。
无论哪一种变频器，都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，不管采用哪种整流方式，变频器从电网中吸取能量的方式都不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，经傅里叶级数分析可知，这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。
那么什么是谐波呢？谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶（M.Fourier）分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次谐波与奇次谐波，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为100Hz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。
谐波的危害：一般来讲，变频器对容量相对较大的电力系统影响不很明显，而对容量小的系统，谐波产生的干扰就不可忽视，它对公用电网是一种污染。谐波污染对电力系统的危害是严重的，主要表现在：
（1）谐波对供电线路产生了附加损耗。当大量的三次谐波流过中性线时，会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏。
（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。对如发电机的旋转电机产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声；对断路器，延长故障电流的切除时间；
（3）谐波使电网中的电容器产生谐振。谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备被烧毁；
（4）谐波引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述危害大大增加，甚至引起严重的责任事故；
（5）谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差； 谐波的抑制：抑制谐波的总体思路有三个：其一是装置谐波补偿装置来补偿谐波；其二是对电力系统装置本身进行改造，使其不产生谐波.其三是在电网系统中采用适当的措施来抑制谐波。具体方法有以下几种：
（1）采用适当的电抗器。变频器的输入侧功率因数取决于装置内部的AC/DC变换电路系统，可利用并联功率因数矫正DC电抗器，电源侧串联AC电抗器的方法，使进线电流的THDV大约降低30%~50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右；
（2）装设有源电力滤波器。当前抑制谐波的一个重要趋势是采用有源电力滤波器，它串联或是并联于主电路中，实时从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波电流。
（3）采用多相脉冲整流。在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下，可采用多相整流的方法。12相脉冲整流的THDV大约为10%~15%，18相的为3%~8%，完全满足国际标准的要求。其缺点是需要专用变压器，不利于设备的改造，成本费用较高；
（4）使用滤波模块组件。目前市场上有很多专门用于抗传导干扰的滤波模块或组件，这些滤波模块具有较强的抗干扰能力，同时还具有防用电器本身的干扰传导给电源。 （5）开发新型的变流器。大容量的变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术。几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用PWM逆变器可构成四象限交流调速变频器，这种变频器不但输出电压、电流为正弦波，而且输入电流也为正弦波，且功率因数为1，还可以实现能量的双向传递，代表了这一技术的发展方向；
减少或削弱变频器谐波的方法还有：
（1）在变频器与电动机之间增加交流电抗器，以减少传输过程中的电磁辐射；
（2）使用具有间隔层的变压器，可以将绝大部分的传导干扰隔离在变压器之前；
（3）采用具有一定消除高频干扰的双积分A/D转换器；
（4）信号线与动力线分开配线，尽量使用双胶线降低共膜干扰；
（5）选用具有开关电源的仪表等低压电器；
（6）在使用单片机、PLC等为核心的控制系统中，在编制软件的时候适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增加系统自身的抗干扰能力。 2 其他干扰的原理、危害及防治：
2. 1 电磁感应干扰。
电磁感应干扰对信号系统的的影响形式有：对两条信号线共同作用的共态干扰和实际作用于信号系统的常态干扰。常态干扰干扰的大小与干扰源的距离成反比，与信号线包围的总面积成正比，干扰电压直接叠加于信号电压。因此，采用同轴电缆或绞合线是很有效的解决方案。共态干扰的大小与干扰源的距离成反比，与电源并行的距离成正比，它是使信号电缆两端产生一个电位差，它的干扰消除比较困难。有效的方法是加大电缆之间的间距和采用屏蔽电缆。
2.2 静电干扰。
静电干扰的原因是信号线和干扰源之间、信号线与地之间的等效偶合电容的存在。干扰源作用与信号线产生了两个等效电压，两个电压的大小决定于几个电容的不平衡度。其差值即为常态干扰。共台干扰的大小与干扰源的距离成反比，与电源并行的距离成正比。常态干扰的消除方法也是采用同轴电缆或绞合电缆的措施，共态干扰的抑制可采用加大干扰源与信号线的距离和采用屏蔽电缆的方法。
2. 3放射干扰。
当射信号在变频器与电动机之间的电缆传播时，信号可以从传输电缆发射出去，形成了对周围的无线设备的干扰，这就是放射干扰的作用方式。其抑制措施是：当变频器、电动机之间距离较近时，可以将电缆传过的金属管、变频器、滤波器共同接地。 3 实际工作中解决干扰的措施。
1.变频器与控制器之间的连线引入干扰。处理方法采用屏蔽电缆。
2. 由变频器与脉冲编码器之间的连线引入干扰。处理方法尽量使控制柜与电机之间的距离减少。如果条件限制，可以用粗短的接地线将其连接，电源线配线时应沿接地线敷设，接地线的直径不得少于8mm。
3.对显示和产量装置的干扰，可在变频器的出入侧加装LC滤波器。
4.将动力线和控制线分开布设，以降低电磁感应干扰。
5.将动力变压器与控制变压器分开，最大限度的抑制传导干扰。
6.在变频器输出侧使用输出滤波器，以降低干扰程度。
4 抑制干扰及的措施及作用效果汇总
采取的措施 控制的对象 作用原理
配线和接地 主电路、控制回路分开配线 感应干扰 不容易受干扰
最短布线距离 感应和放射干扰 不易和降低干扰
避开并行配线、束线 感应干扰 不容易受干扰
良好接地 传导和感应干扰 不易和降低干扰
采用屏蔽线、绞合屏蔽线 感应和放射干扰 不容易受干扰
主电路采用屏蔽线 感应和放射干扰 封闭干扰
使用金属配线管 感应和放射干扰 封闭干扰
控制柜 柜内设备适当配置 感应和放射干扰 不容易受干扰
使用金属控制柜 感应和放射干扰 封闭干扰
附加设备 线滤波器 传导和感应干扰 不易和降低干扰
隔离变压器 传导和感应干扰 隔断传播途径
被干扰对象使用控制电路旁路电容器 感应和放射干扰 不容易受干扰
使用控制电路铁氧化磁环等 感应和放射干扰 不易和降低干扰
线滤波器 传导干扰 不易和封闭干扰
其他分开电源系统 传导干扰 隔断传播途径
降低载波频率 传导、感应、放射 降低干扰能力
[2]《工业变频器原理及应用》 电子工业出版社 2006
[3]《电气工程师手册》 机械工业出版社 2004
