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[经验] 变频器产生谐波的原因和其治理措施

2018-8-10 13:57:43  830 变频器 谐波
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变频器产生谐波机理

变频器是非线性设备,其主电路一般都采用交—直—交电压逆变方式,外部输入的380V50Hz工频电源,经三相桥式电路整流成直流电压,再电容滤波及大功率晶体管逆变为频率可变的交流电流输出,为需要调速的电动机提供频率可变的电源。根据电动机转速公式n=[(60f)/p](1-s)可知,将输入频率可变的电流,即可实现电动机转速的调节。

变频器的整流回路是由大功率=极管组成电路,输入电流波形为不规则的矩形波,其波形按傅立叶级数进行分解,除了得到与电源基波频率相同的分量外,还有一系列大于电源基波频率分量的高次谐波。

谐波实际上是一种干扰量,系指x一个周期电气量的非正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍。每个谐波都有不同的频率、幅值与相角,高次谐波频率与基波频率的比值称为谐波次数,有偶次谐波与奇次谐波之分。一般讲奇次谐波造成危害比偶次谐波更大,在三相整流负载中出现谐波为3、5、7、11、13……次谐波。

同理,在逆变输出回路中,输出电流信号受载波信号调制而变成脉冲波形,其波形按傅立叶级数进行分解,也分得基波和各次谐波。据此,变频器运行中必然会产生高次谐波,当频率可变的并含有颇丰高次谐波交流输入配套电动机,必将对异步电动机造成不良的影响。

变频器产生谐波对电动机影响

异步电动机具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点而得到广泛使用。对异步电动机拖动系统进行变频调速节能改造时,可不更换原电动机,而在电动机与电源之间串入相配套型号变频器,即可实现异步电动机转速的调节。但由于变频器是非线性设备,运行中必然会产生高次谐波而对电动机造成不良影响。

按常规设计的异步电动机,均设计在额定频率和额定电压下运行的,只有瞒住运行条件才能确保电动机轴上输出转矩、输出功率达到额定值。然而在变频调速工况下运行的电动机,其输入电流的频率是个变量,通过改变输入电流的频率即可实现异步电动机转速的调节。但由于输入电流频率的变化,故对电动机输出的轴功率会造成影响。所以对不同拖动系统电动机容量的选择上,应考虑这种影响而有一定的容量裕度。

通常使用中异步电动机,均在额定功率和允许温升条件下运行,其温升是不容易超过规定值。但在变频调速工况下运行的异步电动机,由于输入电流含有颇丰的高次谐波,因为会因谐波电流产生附加损耗。同时因谐波电流影响,而使输出轴功率有所下降,运行效率降低,温升增高等异常情况。异步电动机运行中,若发生温升增高必将导致线圈绝缘的挥发和降解加速,介电强度和体积电阻率下降,还会造成绝缘的炭化而丧失绝缘功能。另外,谐波电流产生的附加磁场,相对于转轴是高速度旋转的,它产生的轴电势较高,会击穿轴承的油膜,使轴电流流过轴承而造成损害。

异步电动机的线圈间存在着分布电容,高次谐波电压输入时,使各线圈之间的电压分担不均匀,导致承担高电压线圈绝缘老化加速,从而使首匝线圈绝缘损伤。在变频调速拖动系统中,变频器输出电压的幅值是额定电压的3倍,再加上变频器电压变化率(du/dt)很高,它所引起的振荡使电动机线圈收到应力变得更大,导致线圈绝缘老化。在开关频率很高工况下,变频器和电动机之间连接电缆,若是长度过长时会产生驻波,将导致电动机端电压的升高,这种高电压也会加速线圈绝缘的老化,而影响电动机的使用寿命。

变频器产生谐波的治理措施

1.隔离措施

隔离是电磁兼容的重要技术措施之一,系指从电路上把干扰源和易受干扰元件隔开,使它们不发生电的联系。在变频调速系统中,通常在电源与放大电路之间使用隔离变压器以消除传导干扰,其次,将不同信号线隔开铺设,或采用屏蔽双绞线,或各自单独走线,使信号线不与电力线平行走线。

2.屏蔽措施

屏蔽是电子设备电磁兼容的重要措施,它能有效地抑制通过空间传播的各种干扰源,既可阻止或减少电子设备内的辐射电磁能量对外传播,又可阻止或减少外部辐射对电子设备的影响。根据屏蔽机理,变频器常用的是电场平布,即是采用金属导体的外壳将变频器屏蔽,不让其干扰源泄漏。同时变频器的控制线也要屏蔽,并做好屏蔽层的良好可靠接地。

3.滤波措施

滤波既可抑制从电子设备输出的干扰源,又能抑制从电源引入的干扰源。为减少电磁噪声,可在变频器输出侧设置输出滤波器;为减少电源的干扰,可在变频器输入侧设置输入滤波器,同时滤波器外壳应和变频器外壳牢固连在一起并可靠接地,其目的是建设接触电阻,提高滤波效果。

另外,为抑制变频器输入侧谐波电流,改善功率因数,可在输入端串联交流电抗器;为改善变频器输出电流质量,可在输出侧串联交流电抗器。

4.接地措施

接地分为保护接地和工作接地,其作用均为抑制干扰源,提高电子设备抗电磁干扰的能力。变频器的正确可靠接地是抑制噪声和减少干扰主要措施,如将变频器与电源分开接地,其抑制干扰效果更好。

变频器的接地,先在机柜内将各种接地线汇于柜内的汇流排,然后用粗铜线接到公共接地体上。但应禁止与电源、避雷器的接地线连在一起,接地线之间的绝缘应良好可避免接地干扰。

5.其他措施

为避免长电缆产生驻波,变频器与电动机之间连接电缆长度应尽量短,更不能将过长的电缆盘成圈状放在机柜内。变频器进线电缆应套上长约1.5~2米的金属蛇皮管,蛇皮管外壳要可靠接地。

另外,对变频调速系统,应选用不易输出高反射电压的变频器,以提高运行效率。若有更换拖动系统的原电动机时,最好选用专用的变频器驱动电动机。


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