變頻器干擾分析及治理_Fan2012天津

1、變頻器干擾分析及治理變頻器干擾分析及治理丹佛斯：丹佛斯：xxx丹佛斯：丹佛斯：范逸忻范逸忻1范逸忻丹佛斯電力電子部（PE） 技術(shù)部 資深專家電話：021-6151 3268箱：2變頻器干擾分類變頻器干擾分類1、變頻器電源輸入側(cè)會(huì)產(chǎn)生高次諧波諧波q 電氣設(shè)備故障q 設(shè)備誤操作或跳閘q 電纜或變壓器過載2、變頻器會(huì)產(chǎn)生電磁干擾電磁干擾（EMI）q 可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾q 設(shè)備受到干擾，甚至不能工作，如計(jì)算機(jī)、收音機(jī)、電視機(jī)等q 符合相關(guān)規(guī)章或標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品可稱為具有電磁兼容性電磁兼容性EMCEMCq RFI RFI濾波器3、變頻器輸出端濾波器輸出端濾波器（du/dt及正弦

2、波濾波器）q 電機(jī)絕緣電壓、EMCq 電機(jī)運(yùn)行噪音、電流泄露3變頻器原理圖變頻器原理圖主電源主電源整流整流中間回路中間回路逆變器逆變器控制回路控制回路電機(jī)電機(jī)負(fù)載負(fù)載q 變頻器基本組成部分：整流器、中間電路、逆變器以及控制回路4變頻器主回路圖變頻器主回路圖AC交流交流DC直流直流DC直流直流AC交流交流51、 、什么是諧波什么是諧波電源波形電源波形實(shí)際供電過程中，電網(wǎng)會(huì)連接許多非線性負(fù)載。造成了電流和電壓信號(hào)的畸變.在供電電網(wǎng)中，理想的交流電信號(hào)是：頻率為50/60Hz(如我國是50Hz，美國是60Hz)，電壓或電流為正負(fù)等值按比例交替的正弦波信號(hào)。6何謂諧波何謂諧波q在一個(gè)周期性信號(hào)中，未受

3、干擾的理想信號(hào)稱為”基波” q“諧波” 是指一個(gè)周期性信號(hào)的組成部分，它特點(diǎn)如下：它本身是一個(gè)周期性的信號(hào)它的的頻率是基波頻率的整數(shù)倍 即可用基波分量的整數(shù)倍周期正弦函數(shù)之和表示的周期信號(hào)稱為諧波即可用基波分量的整數(shù)倍周期正弦函數(shù)之和表示的周期信號(hào)稱為諧波q電網(wǎng)中: n次諧波的頻率是: fn = n基波頻率（50/60Hz） 1次諧波 2次諧波 3次諧波 4次諧波 f1 = 50Hz f2 = 100Hz f3 = 150Hz f4 = 200 Hz f1 = 60Hz f2 = 120Hz f3 = 180Hz f4 = 240 Hz71abc23645IDCIDCVabVacVbcIaIb

4、Icq 標(biāo)準(zhǔn)六脈沖整流橋變頻器為例q 非線性負(fù)載引起的電網(wǎng)側(cè)電壓、電流的畸變變頻器整流橋的變頻器整流橋的諧波電流諧波電流8q 在電網(wǎng)上產(chǎn)生非正弦波電流在電網(wǎng)上產(chǎn)生非正弦波電流q 使電電網(wǎng)電壓產(chǎn)生相應(yīng)的有規(guī)律脈動(dòng)使電電網(wǎng)電壓產(chǎn)生相應(yīng)的有規(guī)律脈動(dòng)變頻器整流單元的整流過程變頻器整流單元的整流過程VabVacVbc1abc23645IDCVDCIaIbIc9整流單元的諧波分析整流單元的諧波分析基波基波11.th11.th7.th7.th13.th13.th5.th 5.th 諧波的分解諧波的分解101st (fundamental)1st (fundamental)11.th11.th7.th7.th

5、S)sin()(1thatfh13.th13.th5.th 5.th 諧波電流分析諧波電流分析-基波電流基波電流38.57 A總諧波畸變總諧波畸變THiD104.52%有效電流有效電流RMS 55.79 A(45%)5次諧波電流次諧波電流30.41 A7次諧波電流次諧波電流23.64 A11次諧波電流次諧波電流10.01 A13次諧波電流次諧波電流 5.07 A-諧波的分解諧波的分解整流單元的諧波分析整流單元的諧波分析111st (fundamental)1st (fundamental)11.th11.th7.th7.th13.th13.th5.th 5.th 諧波電流分析諧波電流分析-基波

6、電流基波電流38.57 A總諧波畸變總諧波畸變THiD104.52%有效電流有效電流RMS 55.79 A(45%)5次諧波電流次諧波電流30.41 A7次諧波電流次諧波電流23.64 A11次諧波電流次諧波電流10.01 A13次諧波電流次諧波電流 5.07 A-諧波的分解諧波的分解整流單元的諧波分析整流單元的諧波分析12時(shí)域圖：直觀的表達(dá)信號(hào)的周期和副值時(shí)域圖：直觀的表達(dá)信號(hào)的周期和副值時(shí)域圖時(shí)域圖頻域圖頻域圖傅立葉變換傅立葉變換頻域圖：分別表達(dá)出信號(hào)中基波及各次諧波的副值頻域圖：分別表達(dá)出信號(hào)中基波及各次諧波的副值諧波的表達(dá)諧波的表達(dá)13諧波失真率諧波失真率總諧波電流失真率總諧波電流失真

7、率 THiD總諧波電壓失真率總諧波電壓失真率 THvDTHiD=22)()1(max1nnnIITHvD=22)()1(max1nnnVV14總諧波電流畸變總諧波電流畸變 THiDTHiD “基波電流基波電流” ” 是指由基波提供的電流是指由基波提供的電流I(I(h h1) (1) (例如例如: f1 = 100 A): f1 = 100 A) “總諧波電流畸變總諧波電流畸變” ” 是指所有諧波電流對(duì)基波電流比值的均方根值是指所有諧波電流對(duì)基波電流比值的均方根值. .諧波的表達(dá)諧波的表達(dá)15諧波的表達(dá)諧波的表達(dá)%1021001004100610013100261006110076%100222

8、22222max)1()( AAAAAAAAAAAADTHhhIIihh16電壓畸變電壓畸變q 導(dǎo)致電氣設(shè)備的故障和損壞q 增加電磁干擾 (EMI) q 增加電機(jī)損耗q 導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)q 導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)作*諧波導(dǎo)致供電電網(wǎng)的電流和電壓畸變諧波導(dǎo)致供電電網(wǎng)的電流和電壓畸變電流畸變電流畸變q 變壓器過載和噪音增加q 繼電器和斷路器誤動(dòng)作q 功率因數(shù)補(bǔ)償電容損壞q 相關(guān)電氣設(shè)備老化q 電纜過熱和絕緣等級(jí)降低q 變壓器過熱和絕緣等級(jí)降低諧波的危害諧波的危害17q 電流畸變影響負(fù)載級(jí)性能q I*Z=Vq 電壓畸變影響系統(tǒng)級(jí)系統(tǒng)級(jí)性能q 非線性負(fù)載的諧波電流以及系統(tǒng)短路阻抗是計(jì)算電壓畸變必需的。僅僅知道負(fù)

9、載性能是不能夠預(yù)報(bào)電壓畸變的。q 背景電壓畸變也和系統(tǒng)級(jí)性能相關(guān)。和二級(jí)變壓器電壓畸變一樣。背景畸變可能是其它遠(yuǎn)處的能量消費(fèi)者引起的，經(jīng)常有一點(diǎn) (0.5 - 3%).電流和電壓畸變電流和電壓畸變標(biāo)準(zhǔn)與推薦標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)與推薦標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)/ 推薦標(biāo)準(zhǔn)推薦標(biāo)準(zhǔn)國家國家IEEE 519-1992 *North AmericaEN 61000-3-12 (.-2)EuropeGB/T14549-1993 China PRHK Code of Practice *Hong Kong* * Recommendations Recommendations最大電壓失真值:IEEE 519-1992敏感系統(tǒng)一般系統(tǒng)

10、專用系統(tǒng)THvD3 %5 %10 %GB/T14549-1993380v6.6kv10kvTHvD5%4%4%IEEE 519-1992:PCC1. 中間電壓變壓器的初級(jí).這一級(jí)的電源質(zhì)量主要由供電局負(fù)責(zé)，可以要求他們提供好的諧波性能的電源。 IEEE519-1992是 例子. PCC2.電源質(zhì)量和電網(wǎng)的實(shí)際布局規(guī)劃相關(guān).如果 THvD 過高, 電網(wǎng)同一側(cè)的其它用戶會(huì)受到干擾。這和供電局沒什么關(guān)系!如果THID過高, 則需要更大的變壓器，更粗的電纜，等等。PCC3. 僅和運(yùn)行設(shè)備有關(guān)! 無相關(guān)性.僅需要檢查某個(gè)THvD值是否符合設(shè)備的運(yùn)行條件。公共耦合點(diǎn)定義為一個(gè)用戶與其他用戶在公共供電網(wǎng)絡(luò)上

11、的連接點(diǎn)。公共耦合點(diǎn)定義為一個(gè)用戶與其他用戶在公共供電網(wǎng)絡(luò)上的連接點(diǎn)。19標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)/ /推薦推薦產(chǎn)品級(jí)EN61800-3 變頻器EN61000-3-2 =16AEN61000-3-12 16 to 75A EN61000-3-416A (典型的測試：THiD 40th, 2.5分鐘測試周期, Rsce 相關(guān)) )EN 61000-3-12: 簡單連接 (不連接供電局)Minimal RscI5I7I11I13 THIDPWHD3310.77.23.121228 120402515104845EN 61000-3-12: 平衡三相設(shè)備 5th q 認(rèn)證:CE, UL, cUL, q 額定:10A

12、 - 480A(400V) 并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)更大功率(最大3個(gè)單元)q 選件:NEMA1 (端子蓋) 以及 IP21 套件丹佛斯無源濾波器丹佛斯無源濾波器26丹佛斯有源濾波器丹佛斯有源濾波器27丹佛斯低諧波變頻器丹佛斯低諧波變頻器q 集成有源濾波器的變頻器，為要求低諧波的應(yīng)用提供一體化的解決方案q 產(chǎn)品系列：FC102，F(xiàn)C202，F(xiàn)C302q 功率范圍：132-1000kWq 電壓：380-690Vq 防護(hù)等級(jí)：IP21，IP54 LHD282、 、什么是電磁干擾（什么是電磁干擾（EMC）q 電磁干擾(Electromagnetic Interference)，簡稱EMI，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種

13、q 傳導(dǎo)干擾主要是電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過導(dǎo)電介質(zhì)或公共電源線互相產(chǎn)生干擾，傳導(dǎo)干擾一般是通過電壓或電流的形式在電路中進(jìn)行，頻率范圍為150 kHz - 30 MHzq 傳播輻射干擾是指電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過空間耦合把干擾信號(hào)傳給另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)或電子設(shè)備，頻率范圍為30 MHz - 1 GHzq 為了防止一些電子產(chǎn)品產(chǎn)生的電磁干擾影響或破壞其它電子設(shè)備的正常工作，各國政府或一些國際組織都相繼提出或制定了一些對(duì)電子產(chǎn)品產(chǎn)生電磁干擾有關(guān)規(guī)章或標(biāo)準(zhǔn)，符合這些規(guī)章或標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品就可稱為具有電磁兼容電磁兼容性 EMC(Electromagnetic Compatibility)29Radiated n

14、oise if unscreenedq 變頻器可看成一個(gè) “高頻干擾源”q 變頻器將干擾信號(hào)通過電機(jī)電纜傳播出去q 屏蔽電纜電纜將阻止并“捕獲”這些干擾q 從電機(jī)電纜到接地的雜散電容和電機(jī)電纜到屏蔽層的雜散電容、以及從電機(jī) 繞組到電機(jī)機(jī)殼的雜散電容，所有這些都提供了高頻干擾的低阻通道電磁干擾（電磁干擾（EMI）30Radiated noise if unscreenedq 變頻器可看成一個(gè) “高頻干擾源”q 變頻器將干擾信號(hào)通過電機(jī)電纜傳播出去q 屏蔽電纜電纜將阻止并“捕獲”這些干擾q 從電機(jī)電纜到接地的雜散電容和電機(jī)電纜到屏蔽層的雜散電容、以及從電機(jī) 繞組到電機(jī)機(jī)殼的雜散電容，所有這些都提供

15、了高頻干擾的低阻通道q 這些干擾 “總想尋找通道回到它的發(fā)源地” (即形成回路回到變頻器)電磁干擾（電磁干擾（EMI）31Radiated noise if unscreened電磁干擾（電磁干擾（EMI）q 變頻器可看成一個(gè) “高頻干擾源”q 變頻器將干擾信號(hào)通過電機(jī)電纜傳播出去q 屏蔽電纜電纜將阻止并“捕獲”這些干擾q 從電機(jī)電纜到接地的雜散電容和電機(jī)電纜到屏蔽層的雜散電容、以及從電機(jī) 繞組到電機(jī)機(jī)殼的雜散電容，所有這些都提供了高頻干擾的低阻通道q 這些干擾 “總想尋找通道回到它的發(fā)源地” (即形成回路回到變頻器)q 必須為這些干擾建立一個(gè)閉合的低阻通道q 以避免其通過地線或進(jìn)線側(cè)返回32

16、電磁干擾（電磁干擾（EMC）Radiated noise if unscreened如何治理？33電磁干擾（電磁干擾（EMC）如何治理？q 安裝屏蔽電機(jī)電纜34電磁干擾（電磁干擾（EMC）如何治理？q 安裝屏蔽電機(jī)電纜q 屏蔽電纜必須在兩端都做接地（變頻器和電機(jī)側(cè)） 避免豬尾巴式接線 使用專用屏蔽線纜夾 如果屏蔽線必須斷開，則應(yīng)參照示例方法處理q 電源進(jìn)線與電機(jī)電纜分隔（推薦300mm）35Danfoss錯(cuò)誤 !豬尾巴式接線屏蔽電纜示例: 電機(jī)隔離器電磁干擾（電磁干擾（EMC）36DanfossI ScreenI ScreenI ScreenI Screen屏蔽電纜示例：電機(jī)隔離器良好的外殼接

17、地線夾電磁干擾（電磁干擾（EMC）37電磁干擾（電磁干擾（EMI）的危害）的危害q 傳導(dǎo)干擾進(jìn)入電源或來自變頻器和電機(jī)電纜的 q 輻射干擾可能引起： 其它控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)不能正常工作 收音機(jī)，電視機(jī)及監(jiān)視設(shè)備嚴(yán)重受到干擾 電子設(shè)備因其電源過載而停止工作 高靈敏測量及監(jiān)視設(shè)備將停止工作381020304050607080901000Average dBV30.010.01.00.15MHz130120110Up to 100AmpAbove 100Amp EN55011 cl. BEN55011 cl. A1第一類環(huán)境第一類環(huán)境 C1類類 B類類第一類環(huán)境第一類環(huán)境 C2類類 A1類類第二類環(huán)境

18、第二類環(huán)境 C3類類 A2類類第二類環(huán)境第二類環(huán)境 C4類類 無無q IEC61800-3的限制等級(jí)為C1、C2、C3、C4環(huán)境q EN55011的限制等級(jí)為B、A1、A2類及無無IEC61800-3&EN55011電磁干擾（電磁干擾（EMC）的國際標(biāo)準(zhǔn)）的國際標(biāo)準(zhǔn)39丹佛斯的解決方案丹佛斯的解決方案全系列內(nèi)置電磁干擾全系列內(nèi)置電磁干擾（EMC）濾波器濾波器q 簡易的電磁兼容性安裝q 無需使用外接元件：降低設(shè)備及安裝成本q 滿足各種應(yīng)用場合的不同要求H1- 滿足IEC 61800-3 C1，C2要求H2- 滿足IEC 61800-3 C3q 消除對(duì)現(xiàn)場其他設(shè)備的干擾40變頻器輸出端將產(chǎn)

19、生q du/dtq 共模電壓IGBT開關(guān)共模電壓雙脈沖振鈴電機(jī)絕緣壓力高頻CM噪音電流泄漏軸承電流3、 、變頻器輸出端副作用變頻器輸出端副作用41變頻器輸出變頻器輸出q 電機(jī)絕緣與變頻器輸出的匹配是影響電機(jī)性能的重要因素之一q 變頻器（PWM）輸出電壓、電流與主電源（標(biāo)準(zhǔn)正弦波）不同42電機(jī)側(cè)電壓電機(jī)側(cè)電壓q 高速IGBT產(chǎn)生的每個(gè)PWM脈沖具有很快的上升時(shí)間（100-300ns）q 如此快的時(shí)間將使沿電機(jī)導(dǎo)線傳輸?shù)牟ㄐ萎a(chǎn)生改變，可能帶來尖峰電壓q 電機(jī)側(cè)獲得的脈沖波形將與變頻器輸出有所不同電機(jī)端電壓 43電機(jī)電纜的傳導(dǎo)電機(jī)電纜的傳導(dǎo)q 基于快速升高的波形，有必要將傳輸電纜看做傳輸線路q 該傳

20、輸線路可分解為多組電抗/電感部分，如上圖所示q 脈沖信號(hào)沿著電纜從變頻器發(fā)出向電機(jī)運(yùn)行q 當(dāng)脈沖信號(hào)到達(dá)電機(jī)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，因?yàn)殡姍C(jī)的高頻阻抗比電纜上的高的多44變頻器輸出端變頻器輸出端 vs. 電機(jī)輸入端電機(jī)輸入端q 因?yàn)殡娎|中存在高頻損耗，電壓上升時(shí)間會(huì)增加，同時(shí)，電壓波形來回振蕩q 由于高頻損耗，電壓峰值振蕩超過一個(gè)脈沖周期，逐步衰減，穩(wěn)定在直流母線電壓q 如果脈沖非常接近（高開關(guān)頻率或電纜電感增加），則會(huì)發(fā)生雙脈沖現(xiàn)象q 如先前開關(guān)產(chǎn)生的振蕩未結(jié)束前下一個(gè)開關(guān)出現(xiàn)，高峰值電壓就會(huì)出現(xiàn)， 這種現(xiàn)象稱為“雙脈沖”q 另一種引起高峰值電壓現(xiàn)象是因?yàn)殚_關(guān)極性相反，通常出現(xiàn)在非連續(xù)脈沖列中45電機(jī)

21、電纜長度的波形影響電機(jī)電纜長度的波形影響q 電機(jī)端可能產(chǎn)生2倍于主電源峰值的尖峰電壓q 越短電纜，帶來越小的尖峰電壓值q 上升時(shí)間延長，同等電纜長度時(shí)可降低電機(jī)端尖峰電壓基于供電電源460 VAC的測試：*無過壓*部分過壓*幾乎100% 過壓調(diào)節(jié)視圖比例后圖形46q du/dt值隨電纜長度減少而減少，而電壓峰值則會(huì)隨之增加q 電壓峰值（Upeak）取決于變頻器直流母線電壓。q 而直流母線電壓在例如電機(jī)剎車時(shí)產(chǎn)生的峰值電壓，可能會(huì)超過IEC60034-17的限制值以上du/dt值（上升時(shí)間和電壓峰值）是在400V，37KW感應(yīng)電機(jī)上使用30m，50m，以及150m電纜測得電機(jī)電纜長度的影響電機(jī)電

22、纜長度的影響47q 外加電壓高于絕緣系統(tǒng)的實(shí)際擊穿電壓q 在真空或諧振空腔內(nèi)產(chǎn)生的現(xiàn)場電場強(qiáng)度足以高于空氣中的擊穿強(qiáng)度（局部放電初始電壓）影響影響q 當(dāng)局部放電不斷產(chǎn)生時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)絕緣系統(tǒng)的損壞，提前老化q 在放電點(diǎn)處的絕緣材料變薄，直到擊穿發(fā)生 絕緣破壞絕緣破壞48q 若過電壓嚴(yán)重，則會(huì)最終導(dǎo)致電機(jī)絕緣系統(tǒng)失效q 以下因素通常與絕緣失效相關(guān)： -老電機(jī)絕緣系統(tǒng)差（改造） -頻繁使用再生制動(dòng)的場合，使得直 流母線的電壓升高 -惡劣環(huán)境（溫度，濕度，化學(xué)氣體） 電機(jī)絕緣擊穿電機(jī)絕緣擊穿49關(guān)于限制電機(jī)絕緣壓力的要求有以下幾方面q 國際標(biāo)準(zhǔn) IEC 60034-17 IEC 60034-25q

23、國家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范例如美國的NEMA MG-1q 特殊行業(yè)要求例如德國化工行業(yè)要求的NAMUR 限制峰值電壓限制峰值電壓Upeak和和du/dt的要求的要求50q du/dt 濾波器q 正弦波濾波器其它選擇q 輸出電抗器q 電機(jī)終端單元 如何降低峰值電壓如何降低峰值電壓Upeak和和du/dt51q 使用du/dt濾波器后，電機(jī)端的相間電壓仍然是脈沖形，但是能量上升時(shí)間會(huì)減少，這樣可以緩解電機(jī)繞組上絕緣的壓力。q 與正弦波濾波器相比， du/dt濾波器有一個(gè)高于開關(guān)頻率的截止頻率，從而具有較小的電感（L）和電容（C）值，因此在價(jià)格上比正弦濾波器更低。 du/dt濾波器濾波器52 使用使用du/dt濾波器的電壓波形變化濾波器的電壓波形變化q 使用前q 使用后53 使用使用du/dt濾波器的電流波形變化濾波器的電流波形變化q 使用前q 使用后54q 功率范圍：0.75KW-1.2MWq 主電壓： T2 （至45KW） T4 （至