諧波及干擾的產生

采用變頻器驅動的電動機系統，因其節(jié)能效果顯著、調節(jié)方便維護簡單、網絡化等特點，而被越來越多地應用，但它的非線性、沖擊性的用電方式，帶來的干擾問題也倍受人們的關注。對于一臺變頻器來講，它的輸入端和輸出端都會產生高次諧波，輸入端的諧波還會通過輸入電源線對公用電網產生影響。諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據法國數學家傅立葉（M.Fourier）分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次諧波與奇次諧波，第3、5、7次編號的為奇次諧波，而2、4、6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時，2次諧波為100Hz，3次諧波則是150Hz。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。對于三相整流負載，出現的諧波電流是6n次諧波，例如5、7、11、13、17、19等，變頻器主要產生5、7次諧波。諧波的產生從結構上來看，變頻器有間接變頻器和直接變頻器之分。間接變頻器將工頻電流通過整流器變成直流，然后再經過逆變器將直流變換成可控頻率的交流。而直接變頻器是將工頻電流直接變換成可控頻率的交流，沒有中間的直流環(huán)節(jié)。它的每相都是一個兩組品閘管整流裝置反并聯的可逆電路。正反兩組按一定周期相互切換，在負荷上就獲得了交變輸出的電壓U0,U0的幅值決定于各整流裝置的控制角，頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率。目前應用較多的還是間接變頻器。間接變頻器有三種不同的結構方式：（1）用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調壓和調頻分別是在兩個環(huán)節(jié)上進行，兩者要在控制電路上協調配合；（2）用不控整流器整流斬波器變壓，用逆變器變頻，這種變頻器整流環(huán)節(jié)用斬波器，用脈寬調壓；（3）用不控整流器整流，用PWM逆變器變頻，這種變頻器只有采用可控關斷的全控式器件（如IGBT等），輸出波形才會非常逼近正弦波。無論哪一種變頻器，都大量使用了品閘管等非線性電力電子元件，不管采用哪種整流方式，變頻器從電網中吸取能量的方式都不是連續(xù)的正弦波，而是以脈動的斷續(xù)方式向電網索取電流，這種脈動電流和電網的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網的電壓上，使電壓發(fā)生畸變，經傅里葉級數分析可知，這種非同期正弦波電流是由于頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成。諧波的危害一般來講，變頻器對容量相對較大的電力系統影響不很明顯，而對容量小的系統，諧波產生的干擾就不可忽視，它對公用電網是一種污染。諧波污染對電力系統的危害是嚴重的，主要表現在：諧波對供電線路產生了附加損耗。由于集膚效應和鄰近效應，使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的浪費；由于中性線正常時流過電流很小，故其導線較細，當大量的三次諧波流過中性線時，會使導線過熱、絕緣老化、壽命縮短以全損壞；諧波影響各種電氣設備的正常工作。對如發(fā)電機的旋轉電機產生附加功率損耗、發(fā)熱、機械振動和噪聲；對斷路器，當電流波形過零點時，由于諧波的存在可能造成高的di/dt，這將使開斷困難，并且延長故障電流的切除時間；諧波使電網中的電容器產生諧振。工頻下，系統裝設的各種用途的電容器比系統中的感抗要大得多，不會產生諧振，但諧波頻率時，感抗值成倍增加而容抗值成倍減少，這就有可能出現諧振，諧振將放大諧波電流，導致電容器等設備被燒毀；諧波引起公用電網局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，這就使上述危害大大增加，甚至引起嚴重的責任事故；諧波將使繼電保護和自動裝置出現誤動作，并使儀表和電能計量出現較大誤差；諧波對其他系統及電力用戶危害也很大：如對附近的通信系統產生干擾，輕者出現噪聲，降低通信質量，重者丟失信息，使通信系統無法正常工作；影響電子設備工作精度，使精密機械加工的產品質量降低；設備壽命縮短，家用電器工況變壞等。5諧波的抑制變頻器給人們帶來極大的方便、高效率和巨大的經濟效益的同時，對電網注入了大量的諧波和無用功，使供電質量不斷惡化。另一方面，隨著以計算機為代表的大量敏感設備的普及應用，人們對公用電網的供電質量要求越來越高，許多國家和地區(qū)已經制定了各自的諧波標準。我國也分別于1984年和1993年通過了“電力系統諧波管理規(guī)定”和“GB/T-14549-93標準”，用以限制供電系統及用電設備的諧波污染。抑制諧波的總體思路有三個：其一是裝置諧波補償裝置來補償諧波；其二是對電力系統裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數可控為1；其三是在電網系統中采用適當的措施來抑制諧波。具體方法有以下幾種：采用適當的電抗器。變頻器的輸入側功率因數取決于裝置內部的AC/DC變換電路系統，可利用并聯功率因數矯正DC電抗器，電源側串聯AC電抗器的方法，使進線電流的THDV大約降低30%?50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右；裝設有源電力濾波器。除傳統的LC調試濾波器目前還在應用外，當前抑制諧波的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器，它串聯或是并聯于主電路中，實時從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，從而使電網電流只含基波電流。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，其特性不受系統的影響，無諧波放大的危險，因而倍受關注，在日本等國已獲得廣泛應用；（3）采用多相脈沖整流。在條件允許或是要求諧波限制在比較小的情況下，可采用多相整流的方法。12相脈沖整流的THDV大約為10%?15%，18相的為3%?8%，完全滿足國際標準的要求。其缺點是需要專用變壓器，不利于設備的改造，成本費用較高；（4）使用濾波模塊組件。目前市場上有很多專門用于抗傳導干擾的濾波模塊或組件，這些濾波模塊具有較強的抗干擾能力，同時還具有防用電器本身的干擾傳導給電源，有些還兼有吸收尖峰電壓的功能，對各類用電設備大有益處；（5）開發(fā)新型的變流器。大容量的變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術。幾千瓦到幾百千瓦的高功率因數整流器主要采用PWM逆變器可構成四象限交流調速變頻器，這種變頻器不但輸出電壓、電流為正弦波，而且輸入電流也為正弦波，且功率因數為1，還可以實現能量的雙向傳遞，代表了這一技術的發(fā)展方向；（6）選用D-YN11接線組別的三相配電變壓器。三相變壓器中把高壓側繞組接成三角形，低壓繞組為星型且中性點和“11”連接以保證相電動勢接近于正弦形，從而避免了相電動勢波形畸變的影響。此時，由地區(qū)低壓電網供電的220V負荷，線路電流不會超過30A，可用220V單相供電，否則應以220/380V三相四線供電；減少或削弱變頻器諧波的方法還有：（1）在變頻器與電動機之間增加交流電抗器，以減少傳輸過程中的電磁輻射；（2）使用具有間隔層的變壓器，可以將絕大部分的傳導干擾隔離在變壓器之前;（3）采用具有一定消除高頻干擾的雙積分A/D轉換器；（4）信號線與動力線分開配線，盡量使用雙膠線降低共膜干擾；（5）選用具有開關電源的儀表等低壓電器；（6）在使用單片機、PLC等為核心的控制系統中，在編制軟件的時候適當增加對檢測信號和輸出控制部分的軟件濾波，以增加系統自身的抗干擾能力。6小結變頻器的使用給人們帶來了極大的方便和巨大的經濟效益，它必將更為廣泛地使用，但是由于它特有的工作方式，給公用電網帶來了一定的破壞，成為電網主要污染源之一，所以，分析和研究抑制諧波的方法將成為一個非常重要的課題。作好信號線的抗干擾信號線承擔著檢測信號和控制信號的傳輸任務，毋庸置疑，信號傳輸的質量直接影響到整個控制系統的準確性、穩(wěn)定性和可靠性，因此做好信號線的抗干擾是十分必要的。對于信號線上的十擾主要是來自空間的電磁輻射，有常態(tài)十擾和共模十擾兩種常態(tài)干擾的抑制常態(tài)十擾是指疊加在測量信號線上的十擾信號，這種十擾大多是頻率較高的交變信號，其來源一般是耦合十擾。抑制常態(tài)干擾的方法有：（1）在輸入回路接RC濾波器或雙T濾波器。（2）盡量采用雙積分式A/D轉換器，由于這種積分器工作的特點，具有一定的消除高頻干擾的作用。（3）將電壓信號轉換成電流信號再傳輸的方式，對于常態(tài)的十擾有非常強的抑制作用。共模干擾的抑制共模十擾是指信號線上共有的十擾信號，一般是由于被測信號的接地端與控制系統的接地端存在一定的電位差所制，這種十擾在兩條信號線上的周期、幅值基本相等，所以采用上面的方法無法消除或抑制。對共模干擾的抑制方法如下：（1）采用雙差分輸入的差動放大器，這種放大器具有很高的共模抑制比。（2）把輸入線絞合，絞合的雙絞線能降低共模十擾，由于改變了導線電磁感應e的方向，從而使其感應互相抵消，如圖6示。（3）采用光電隔離的方法，可以消除共模干擾。（4）使用屏蔽線時，屏蔽層只一端接地。因為若兩端接地，由于接地電位差在屏蔽層內會流過電流而產生十擾，因此只要一端接地即可防止十擾。無論是為了抑制常態(tài)干擾還是抑制共模干擾，都還應該做到以下幾點：（1）輸入線路要盡量短。（2）配線時避免和動力線接近，信號線與動力線分開配線，把信號線放在有屏蔽的金屬管內，或者動力線和信號線分開距離要在40cm以上。（3）為了避免信號失真，對