［摘要］：本文對變頻器的諧波產(chǎn)生機(jī)理、諧波干擾途徑、諧波干擾的危害以及抑制諧波干擾常用的方法進(jìn)行了分析，同時給出了抑制諧波干擾的幾個典型實(shí)例。
［關(guān)鍵詞］：變頻器 諧波 干擾 信號隔離器
1引言
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(jī)芯片，易受外界的一些電氣干擾，因此，變頻器投入電網(wǎng)運(yùn)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(shí)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(jī)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(jī)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(jī)理：不限于通用變頻器，晶閘管供電的直流電動機(jī)、無換向器電動機(jī)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(jī)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(jī)：輸出諧波對電動機(jī)的影響主要有，引起電動機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電動機(jī)的額外溫升，電動機(jī)往往要降額使用，由于輸出波形失真，增加電動機(jī)的重復(fù)峰值電壓，影響電動機(jī)的絕緣，諧波還會引起電動機(jī)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(shí)際運(yùn)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(diǎn)，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(hù)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(dú)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?yàn)樾枰獙⒄髌鞣珠_，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(yàn)中證實(shí)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(jī)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(shí)例
例1，某變頻切換控制系統(tǒng)，變頻器啟動運(yùn)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，液位計卻顯示上限，致使變頻器接收停機(jī)指令，迫使變頻器停止運(yùn)行。
這顯然是變頻器的高次諧波干擾液位計，干擾傳播途徑是液位計的電源回路或信號線。解決辦法：將液位計的供電電源取自另一供電變壓器，諧波干擾減弱，再將信號線穿入鋼管敷設(shè)，并與變頻器主回路線隔開一定距離，經(jīng)這樣處理后，諧波干擾基本抑制，液位計工作恢復(fù)正常。
例2，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(zhǔn)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3，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(yùn)行某一臺變頻器時，工作正常，兩臺同時運(yùn)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(rèn)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4，某變頻控制系統(tǒng)，切換兩套機(jī)泵，原先機(jī)泵是靠自耦降壓啟動工頻運(yùn)行正常，現(xiàn)改為變頻運(yùn)行，雖能實(shí)現(xiàn)調(diào)頻減速功能，但變頻器輸出端到電動機(jī)間的輸出線嚴(yán)重發(fā)熱，電動機(jī)外殼溫升加重，經(jīng)常出現(xiàn)保護(hù)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(jī)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(jī)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(yán)的設(shè)備，徹底抑制高次諧波干擾非常困難，比較好的方法是在變頻器的輸出端加濾波器和隔離變壓器，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中效果比價明顯。
