近年來，隨著電力電子技術、計算機技術、自動控製技術的迅速發展，交流傳(chuan) 動與(yu) 控製技術成為(wei) 目前發展最為(wei) 迅速的技術之一，電氣傳(chuan) 動技術麵臨(lin) 著一場曆史革命，即交流調速取代直流調速和計算機數字控製技術取代模擬控製技術已成為(wei) 發展趨勢。電機交流變頻調速技術是當今節電、改善工藝流程以提高產(chan) 品質量和改善環境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調速以其優(you) 異的調速和起製動性能，高效率、高功率因數和節電效果，廣泛的適用範圍及其他許多優(you) 點而被國內(nei) 外公認為(wei) 最有發展前途的調速方式。但是由於(yu) 變頻器中普遍有晶閘管、整流二極管及大功率IGBT開關(guan) 等非線性元器件，在使用中會(hui) 產(chan) 生大量諧波，從(cong) 而幹擾周圍電器正常運行。如果變頻器的幹擾問題解決(jue) 不好，不但係統無法可靠運行，還會(hui) 影響其他電子、電氣設備的正常工作，因此有必要對變頻器應用係統中的幹擾問題進行探討。

1 變頻調速係統諧波的產(chan) 生

變頻器的主電路一般由交-直-交組成，外部輸入的380 V/50 Hz 的工頻電源經三相橋路晶閘管整流成直流電壓信號後，經濾波電容濾波及大功率晶體(ti) 管開關(guan) 器件逆變為(wei) 頻率可變的交流信號。在整流回路中，輸入電流的波形為(wei) 不規則的矩形波，波形按傅裏葉級數分解為(wei) 基波和各次諧波，其中的高次諧波將幹擾輸入供電係統。在逆變輸出回路中，輸出電流信號是受PWM載波信號調製的脈衝(chong) 波形，對於(yu) GTR 大功率逆變器件，其PWM的載波頻率為(wei) 2耀3 kHz，而IGBT大功率逆變器件的PWM最高載頻可達15 kHz。同樣，輸出回路電流信號也可分解為(wei) 隻含正弦波的基波和其他各次諧波，而高次諧波電流對負載直接幹擾。另外高次諧波電流還通過電纜向空間輻射，幹擾鄰近電氣設備。

用於(yu) 電機調速的交-直-交型通用變頻器一般是6脈動裝置，其諧波電流含有率如表1所列。
此外，交-交型變頻器通過一套可關(guan) 斷晶閘管和斬波技術，不經過整流這個(ge) 環節，把電網工頻直接變成交流調速電機所需要的交流頻率。交-交型變頻器除了向電網係統注入高次諧波外，還注入諧間波（即頻率不是工頻倍數）電流。諧波電流的頻率和含量隨電機的工況變化而變化。
 

2 諧波的傳(chuan) 播途徑

變頻器能產(chan) 生功率較大的諧波，對係統其他設備幹擾性較強，其幹擾途徑與(yu) 一般電磁幹擾途徑是一致的，主要分傳(chuan) 導（即電路耦合）、電磁輻射、感應耦合。具體(ti) 為(wei) ：首先對周圍的電子、電氣設備產(chan) 生電磁輻射，這是頻率很高的諧波分量的主要傳(chuan) 播方式；其次對直接驅動的電動機產(chan) 生電磁噪聲，使得電機鐵耗和銅耗增加；並傳(chuan) 導幹擾到電源，通過配電網絡傳(chuan) 導給係統其他設備，這是變頻器輸入電流幹擾信號的主要傳(chuan) 播方式；最後變頻器對相鄰的其他線路產(chan) 生感應耦合，感應出幹擾電壓或電流，感應的方式又有兩(liang) 種：即電磁感應方式，這是電流幹擾信號的主要方式；靜電感應方式，這是電壓幹擾信號的主要方式。同樣，係統內(nei) 的幹擾信號通過相同的途徑幹擾變頻器的正常工作。

3 諧波的危害

1）諧波使電網中的電器元件產(chan) 生了附加的諧波損耗，降低了輸變電及用電設備的效率。

2）諧波可以通過電網傳(chuan) 導到其他的電器，影響了許多電氣設備的正常運行，比如諧波會(hui) 使變壓器產(chan) 生機械振動，使其局部過熱，絕緣老化，壽命縮短，以至於(yu) 損壞；還有傳(chuan) 導來的諧波會(hui) 幹擾電器設備內(nei) 部軟件或硬件的正常運轉。

3）諧波會(hui) 引起電網中局部的串聯或並聯諧振，從(cong) 而使諧波放大。

4）諧波或電磁輻射幹擾會(hui) 導致繼電器保護裝置的誤動作，使電氣儀(yi) 表計量不準確，甚至無法正常工作。

5）電磁輻射幹擾使經過變頻器輸出導線附近的控製信號、檢測信號等弱電信號受到幹擾，嚴(yan) 重時使係統無法得到正確的檢測信號，或使控製係統紊亂(luan) 。

4 諧波的治理

4.1 減少變頻器工作時對外部設備的影響的措施

1）增加交流/直流電抗器采用交流/直流電抗器後，進線電流的THD 降低30%~50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。

2）多相脈衝(chong) 整流在條件具備，或者要求產(chan) 生的諧波限製在比較小的情況下，可以采用多相整流的方法。12 相脈衝(chong) 整流的THD為(wei) 10%~15%，18 相脈衝(chong) 整流的THD為(wei) 3%~8%，滿足EN61000-3-12和IEEE519-1992 標準的嚴(yan) 格要求。缺點是需要專(zhuan) 用變壓器和整流器，不利於(yu) 設備改造，價(jia) 格較高。

3）無源濾波器采用無源濾波器後，滿載時進線中的THD 可降至5%~10%，滿足EN61000-3-12和IEEE519-1992 的要求，技術成熟，價(jia) 格適中。適用於(yu) 所有負載下的THD<30%的情況，缺點是輕載時功率因數會(hui) 降低。

4）加裝有源濾波器早在上世紀70 年代初，日本學者就提出有源濾波器的概念，有源濾波器通過對電流中高次諧波進行檢測，根據檢測結果輸入與(yu) 高次諧波成分具有相反相位的電流，達到實時補償(chang) 諧波電流的目的。與(yu) 無源濾波器相比具有高度可控性和快速響應性，有一機多能特點，且可消除與(yu) 係統阻抗發生諧振的危險，也可自動跟蹤補償(chang) 變化的諧波。但存在容量大，價(jia) 格高等特點。

5）輸出電抗器也可以采用在變頻器到電動機之間增加交流電抗器的方法，主要目的是減少變頻器的輸出在能量傳(chuan) 輸過程中，線路產(chan) 生的電磁輻射。該電抗器必須安裝在距離變頻器最近的地方，盡量縮短與(yu) 變頻器的引線距離。如果使用鎧裝電纜作為(wei) 變頻器與(yu) 電動機的連線時，可不使用這種方法，但要做到電纜的鎧在變頻器和電動機端可靠接地，而且接地的鎧要原樣不動接地，不能扭成繩或辮，不能用其他導線延長，靠近變頻器側(ce) 要接在變頻器的地線端子上，再將變頻器接地。

6）使用理想化的無諧波汙染的綠色變頻器綠色變頻器的品質標準是輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數可控，帶任何負載時都能使功率因數為(wei) 1，可獲得任意可控的輸出功率。

4.2 提高其他設備對變頻器諧波抑製能力

在變頻器諧波幹擾較嚴(yan) 重的場合，常用的方法通常有以下幾種。

1）使用隔離變壓器使用隔離變壓器主要是應對來自於(yu) 電源的傳(chuan) 導幹擾。使用具有隔離層的隔離變壓器，可以將絕大部分的傳(chuan) 導幹擾阻隔在隔離變壓器之前，同時還可以兼有電源電壓變換的作用。隔離變壓器常用於(yu) 抑製控製係統中的儀(yi) 表、PLC，以及其他低壓小功率用電設備的抗傳(chuan) 導幹擾。

2）使用濾波模塊或組件目前市場中有很多專(zhuan) 門用於(yu) 抗傳(chuan) 導幹擾的濾波器模塊或組件，這些濾波器具有較強的抗幹擾能力，同時還具有防止用電器本身的幹擾傳(chuan) 導給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能，對各類用電設備有很多好處。
常用的有雙孔磁芯濾波器和單孔磁芯濾波器，單孔磁芯濾波器濾波能力較雙孔的弱些，但成本較低。

3）選用具有開關(guan) 電源的儀(yi) 表等低壓設備一般開關(guan) 電源的抗電源傳(chuan) 導幹擾的能力都比較強，因為(wei) 在開關(guan) 電源的內(nei) 部也都采用了有關(guan) 的濾波器。因此在選用控製係統的電源設備，或者選用控製用電器的時候，盡量采用開關(guan) 電源類型的。 #p#分頁標題#e#

4）做好信號線的抗幹擾信號線承擔著檢測信號和控製信號的傳(chuan) 輸任務，毋庸置疑，信號傳(chuan) 輸的質量直接影響到整個(ge) 控製係統的準確性、穩定性和可靠性，因此做好信號線的抗幹擾是十分必要的。
對於(yu) 信號線上的幹擾主要是來自空間的電磁輻射，有常態幹擾和共模幹擾兩(liang) 種。

（1）常態幹擾的抑製常態幹擾是指疊加在測量信號線上的幹擾信號，這種幹擾大多是頻率較高的交變信號，其來源一般是耦合幹擾。抑製常態幹擾的方法有：

a 在輸入回路接RC 濾波器或雙T濾波器；

b 盡量采用雙積分式A/D 轉換器，由於(yu) 這種積分器工作的特點，具有一定的消除高頻幹擾的作用；

c 將電壓信號轉換成電流信號再傳(chuan) 輸的方式，對於(yu) 常態的幹擾有非常強的抑製作用。

（2）共模幹擾的抑製共模幹擾是指信號線上共有的幹擾信號，一般是由於(yu) 被測信號的接地端與(yu) 控製係統的接地端存在一定的電位差所致，這種幹擾在兩(liang) 條信號線上的周期、幅值基本相等，所以采用上麵的方法無法消除或抑製。對共模幹擾的抑製方法如下：

a 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製比；

b 把輸入線絞合，絞合的雙絞線能降低共模幹擾，由於(yu) 改變了導線電磁感應的方向，從(cong) 而使其感應互相抵消；

c 采用光電隔離的方法，可以消除共模幹擾；

d 使用屏蔽線時，屏蔽層一端接地，因為(wei) 若兩(liang) 端接地，由於(yu) 接地電位差在屏蔽層內(nei) 會(hui) 流過電流而產(chan) 生幹擾，因此隻要一端接地即可防止幹擾。

無論是為(wei) 了抑製常態幹擾還是抑製共模幹擾，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(yu) 動力線分開配線，把信號線放在有屏蔽的金屬管內(nei) ，或者動力線和信號線分開距離要在40 cm以上；

（3）為(wei) 了避免信號失真，對於(yu) 較長距離傳(chuan) 輸的信號要注意阻抗匹配。

5）軟件濾波在使用以單片機、PLC、計算機等為(wei) 核心的控製係統中，編製軟件的時候，可以適當增加對檢測信號和輸出控製部分的軟件濾波，以增強係統自身的抗幹擾能力。

5 工程案例

5.1 係統受幹擾時出現的故障現象

2008 年8 月某公司進行風機、水泵節能改造時，安裝了9台ABB ACS係列變頻器，其中8 台變頻器是ACS-510係列，功率範圍為(wei) 45耀110 kW；另外一台變頻器是ACS-800 係列，功率為(wei) 200 kW，此台變頻器和另外一台45 kW變頻器安裝在一台1 000 kV·A車間變壓器供電的400 V母線上。變頻器的4耀20 mA 調速信號均來自PLC 控製係統。

在調試中ACS-510 係列變頻器運轉正常，但ACS-800變頻器運轉時出現了兩(liang) 個(ge) 問題。

1）兩(liang) 線製儀(yi) 表信號受到幹擾，測量值出現波動。波動比較嚴(yan) 重時，控製係統發出壓力高或者壓力低的信號；幹擾非常嚴(yan) 重時，控製係統誤認為(wei) 是壓力過低，而自動關(guan) 閉一些閥門。圖1 曲線前半部分為(wei) 變頻器運行時，儀(yi) 表記錄曲線，記錄值波動很大；曲線後半部分為(wei) 變頻器停止運行後記錄曲線，曲線比較平緩，幅值波動很小。從(cong) 記錄曲線可以明顯地看出變頻器運行對儀(yi) 表信號幹擾非常強烈。
但是，除了兩(liang) 線製以外的儀(yi) 表，均正常工作，沒有受到幹擾。

2）變頻器運行後，車間變壓器保護裝置誤動作，經常發出過負荷報警，甚至還發生誤動作跳閘的事故，而變壓器實際負荷才500 kW，沒有出現過負荷。
 

5.2 故障分析與(yu) 排除

根據以上兩(liang) 種故障現象，初步判斷是因為(wei) 變頻器功率比較大，所以產(chan) 生的電磁幹擾也比較強烈，並且是由於(yu) 控製線與(yu) 動力線距離比較近造成。係統原理如圖2所示（黑實線表示一次線路，表示二次控製線路或儀(yi) 表線， 表示諧波傳(chuan) 播途徑），其4耀20 mA 調速信號電纜采用的是屏蔽雙絞線，穿鍍鋅鋼管後沿電纜橋架輻射，鋼管與(yu) 電纜橋架的距離約為(wei) 5 cm。
 

將控製電纜和動力電纜之間的距離調整到30 cm 以上再次試驗，發現幹擾現象仍然存在；為(wei) 了再次確認是否是電磁幹擾沿控製線路引入PLC控製係統，將控製電纜從(cong) PLC 控製櫃去除，變頻器控製櫃現場手動調速，發現兩(liang) 線製儀(yi) 表信號受到的幹擾現象仍然存在，所以基本排除了是電磁幹擾信號沿控製線路引入PLC 控製係統。隨後采用專(zhuan) 用電能質量測試儀(yi) 對變頻器供電回路進行諧波測試。測試諧波數據如表2 所列，諧波電流波形和諧波含量如圖3、圖4 所示。

從(cong) 測試的諧波數據可知，變頻器產(chan) 生了大量諧波，主要以5次、7 次、11 次諧波居多。

從(cong) 變頻器電流曲線可以明顯的看出，諧波電流使正常的電流曲線不再是正弦曲線；諧波含量柱形圖所顯示的情形和所測得的諧波數值相吻合，證實了是變頻器諧波以電磁傳(chuan) 導方式傳(chuan) 播到供電網絡中去，從(cong) 而影響到儀(yi) 表變壓器繼電保護裝置不能正常工作。

根據以上測試結果，仔細分析了ACS-510 係列變頻器和ACS-800 變頻器的結構區別，從(cong) ABB變頻器使用手冊(ce) 和其他技術資料中發現，兩(liang) 種變頻器在其附件配置上稍微有點區別。ACS-510係列變頻器輸入端內(nei) 置了一台變感式交流輸入電抗器和RFI濾波器。交流電抗器和RFI 濾波器是標準配置，在實際使用中不需要額外的濾波器。而ACS-800變頻器在輸入端隻內(nei) 置了一台交流輸入電抗器。EMC 濾波器是可選設備，如果在設備訂貨時沒有要求強調安裝EMC 濾波器，ABB 廠家隻在輸入端內(nei) 置一台交流輸入電抗器。

經核實，這台變頻器訂貨時確實沒有要求配置EMC 濾波器，於(yu) 是在變頻器輸入端增加了一台變頻器專(zhuan) 用FT330-400型輸入濾波器，然後再開機試驗，儀(yi) 表信號受幹擾現象消除，並且變壓器繼電保護裝置誤動作事故也不再發生。

6 結語

為(wei) 了確保變頻器係統的安全運行，減小變頻器電磁噪聲對周邊設備的幹擾，應將變頻器係統的電磁兼容性、抗電磁幹擾能力及降低電磁幹擾等，作為(wei) 變頻器係統設計、製造、施工安裝中綜合考慮的重要部分，須符合相關(guan) 電磁兼容性標準和規範要求。