庆祝电源电气擂台吉日新开业
本题目来自：新一轮工控网论坛擂台题目征集帖
原题目如下：如何消除变频器、伺服的谐波干扰
实际工作中，常常碰到变频器、伺服等谐波干扰，导致设备带电，而很多企业车间接地是不可靠的，请问除了接地之外，还有哪些办法消除这样的谐波干扰？
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1．变频器谐波产生机理
变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2～3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。
2．抑制谐波干扰常用的方法
谐波的传播途径是传导和辐射，解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离；解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。具体常用方法：(1)变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立，或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器，切断谐波电流。(2)在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器，或安装谐波滤波器，滤波器的组成必须是LC型，吸收谐波和增大电源或负载的阻抗，达到抑制谐波的目的。(3)电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆，并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设，避免辐射干扰。(4)信号线采用屏蔽线，且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离(至少20cm以上)，切断辐射干扰。(5)变频器使用专用接地线，且用粗短线接地，邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开，使用短线。这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。
3．抑制谐波干扰实例
例1，某变频切换控制系统，变频器启动运行正常，而邻近液位计读数偏高，一次表输入4mA时，液位显示不是下限值；液位未到设定上限值时，液位计却显示上限，致使变频器接收停机指令，迫使变频器停止运行。
这显然是变频器的高次谐波干扰液位计，干扰传播途径是液位计的电源回路或信号线。解决办法：将液位计的供电电源取自另一供电变压器，谐波干扰减弱，再将信号线穿入钢管敷设，并与变频器主回路线隔开一定距离，经这样处理后，谐波干扰基本抑制，液位计工作恢复正常。
例2，某变频控制液位显示系统，液位计与变频器在同一个柜体安装，变频器工作正常，而液位计显示不准且不稳，起初我们怀凝一次表、二次表、信号线及流体介质有问题，更换所有这些仪表、信号电缆，并改善流体特性，故障依然存在，而这故障就是变频器的高次谐波电流通过输出回路电缆向外辐射，传递到信号电缆，引起干扰。
解决办法：液位计信号线及其控制线与变频器的控制线及主回路线分开一定距离，且柜体外信号线穿入钢管敷设，外壳良好接地，故障排除。
例3，某变频控制系统，由两台变频器组成，且在同一柜体内，变频器调频方式均为电位器手调方式，运行某一台变频器时，工作正常，两台同时运行时，频率互相干扰，即调节一台变频器的电位器对另一台变频器的频率有影响，反过来也一样。开始我们认为是电位器及控制线故障，排除这种可能后，断定是谐波干扰引起。
解决办法：把其中一只电位器移到其他柜体固定，且引线用屏蔽信号线，结果干扰减弱。为了彻底抑制干扰，重新加工一个电控柜，并与原柜体一定距离放置，把其中的一台变频器移到该电控柜，相应的接线及引线作必要的改动，这样处理后，干扰基本消除，故障排除。例4，某变频控制系统，切换两套机泵，原先机泵是靠自耦降压启动工频运行正常，现改为变频运行，虽能实现调频减速功能，但变频器输出端到电动机间的输出线严重发热，电动机外壳温升加重，经常出现保护跳闸。这是由于变频器输出电压和电流信号中包含PWM高次谐波，而谐波电流在输出导线和电动机绕线上形成附加功率损耗。
解决办法：把变频器输入线与输出线分开，分别走各自的电缆沟，选用大一号截面的电缆换原先电缆，输出端与电动机之间的电缆长度尽可能短。这样处理后，发热故障排除。对现场出现的各种变频器高次谐波干扰，基本上都能照以上介绍的方法顺利抑制，但对谐波成分及幅度要求很严的设备，彻底抑制高次谐波干扰非常困难，有待进一步攻关解决。
1.1 增加交流/直流电抗器
采用交流/直流电抗器后（如图1），进线电流的谐波畸变率大约降低30%～50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。
1.2 多相脉冲整流
在条件具备，或者要求产生的谐波限制在比较小的情况下，可以采用多相整流的方法。12相脉冲整流THDv大约为10%～15%，18相脉冲整流的THDv约为3%～8%，满足EN61000-3-12和IEEE519-1992严格标准的要求。缺点是需要专用变压器和整流器，不利于设备改造，价格较高。
1.3 无源滤波器
采用无源滤波器后（如图2），满载时进线中的THDv可降至5%～10%，满足EN61000-3-12和IEEE519-1992的要求，技术成熟，价格适中。适用于所有负载下的THDv＜30%的情况。缺点是轻载时功率因数会降低。
1.4 输出电抗器
也可以采用在变频器到电动机之间增加交流电抗器的方法（如图3），主要目的是减少变频器的输出在能量传输过程中，线路产生的电磁辐射。该电抗器必须安装在距离变频器最近的地方，尽量缩短与变频器的引线距离。如果使用铠装电缆作为变频器与电动机的连线时，可不使用这方法，但要做到电缆的铠在变频器和电动机端可靠接地，而且接地的铠要原样不动接地，不能扭成绳或辨，不能用其它导线延长，变频器侧要接在变频器的地线端子上，再将变频器接地。
2 减少或削弱变频器谐波及电磁辐射对设备干扰的方法
上面介绍的方法是减少变频器工作时对外设备的影响，但并不是消除了变频器的对外干扰，如果想进一步提高其它设备对变频器谐波和电磁辐射的免疫能力，尤其是在变频器（品牌不同，产生的干扰程度可能不一样）干扰较严重的场合中常用的方法通常有以下几种。
2.1 使用隔离变压器
使用隔离变压器主要是应对来自于电源的传导干扰（如图4）。使用具有隔离层的隔离变压器，可以将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前。同时还可以兼有电源电压变换的作用。隔离变压器常用于控制系统中的仪表、PLC，以及其它低压小功率用电设备的抗传导干扰。
2.2 使用滤波模块或组件
目前市场中有很多专门用于抗传导干扰的滤波器模块或组件，这些滤波器具有较强的抗干扰能力，同时还具有防止用电器本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能，对各类用电设备有很多好处。
常用双孔磁芯滤波器的结构见图5所示。还有单孔磁芯的滤波器，其滤波能力较双孔的弱些，但成本较低。
2.3 选用具有开关电源的仪表等低压设备
一般开关电源的抗电源传导干扰的能力都比较强，因为在开关电源的内部也都采用了如图5结构类似的滤波器。因此在选用控制系统的电源设备，或者选用控制用电器的时候，尽量采用具有开关电源类型的。
2.4 作好信号线的抗干扰
对于信号线上的干扰主要是来自空间的电磁辐射，有常态干扰和共模干扰两种。
（1） 常态干扰的抑制
常态干扰是指叠加在测量信号线上的干扰信号，这种干扰大多是频率较高的交变信号，其来源一般是耦合干扰。抑制常态干扰的方法有:
·在输入回路接RC滤波器或双T滤波器;
·尽量采用双积分式A/D转换器，由于这种积分器工作的特点，具有一定的消除高频干扰的作用;
·将电压信号转换成电流信号再传输的方式，对于常态的干扰有非常强的抑制作用。
（2） 共模干扰的抑制
共模干扰是指信号线上共有的干扰信号，一般是由于被测信号的接地端与控制系统的接地端存在一定的电位差所致，这种干扰在两条信号线上的周期、幅值基本相等，所以采用上面的方法无法消除或抑制。对共模干扰的抑制方法如下:
·采用双差分输入的差动放大器，这种放大器具有很高的共模抑制比。
·把输入线绞合，绞合的双绞线能降低共模干扰，由于改变了导线电磁感应e的方向，从而使其感应互相抵消，如图6所示。
·采用光电隔离的方法，可以消除共模干扰;
·使用屏蔽线时，屏蔽层只一端接地。因为若两端接地，由于接地电位差在屏蔽层内会流过电流而产生干扰，因此只要一端接地即可防止干扰。
（3） 应注意的事项
无论是为了抑制常态干扰还是抑制共模干扰，都还应该做到以下几点:
·输入线路要尽量短。
·配线时避免和动力线接近，信号线与动力线分开配线，把信号线放在有屏蔽的金属管内，或者动力线和信号线分开距离要在40cm以上。
·为了避免信号失真，对于较长距离传输的信号要注意阻抗匹配。
2.5 增加软件滤波
在使用以单片机、DSP等为核心的控制系统中，编制软件的时候，可以适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增强系统自身的抗干扰能力。
变频器的谐波干扰：
变频器主电路一般是交流- 直流- 交流模式, 对电网来说是非线性负载, 变频器换流产生的高次谐波,在其输入端将使电源的电压波形和电流波形发生畸变, 对与其共电源的其它设备直接造成干扰。逆变器采用SPWM 技术, 当工作于开关模式并作高速切换时, 产生大量耦合性噪声, 其输出端的高次谐波, 通过感应、辐射、地线系统等途径, 对相关设备造成干扰。变频器产生的谐波辐射干扰能量主要是经电源线和电机电缆线的传导向外传播的。
变频器谐波干扰的抑制措施：
为防止干扰, 可采用硬件抗干扰和软件抗干扰。其中硬件抗干扰是最基本和最重要的抗干扰措施, 一般从抗和防两方面入手来抑制干扰, 其总原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的耦合通道、降低系统干扰信号的敏感性。工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。
1.隔离
干扰的隔离是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来, 使它们不发生电的联系。在变频调速传动系统中, 通常是在电源和放大器电路之间的电源线上采用隔离变压器以免传导干扰。
2.滤波
设置滤波器是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源及电动机, 为减少电磁噪声和损耗, 在变频器输出侧可设置输出滤波器。为减少对电源的干扰, 可在变频器输入侧设置输入滤波器。若线路中有敏感电子设备, 可在电源线上设置电源噪声滤波器, 以免传导干扰。
3.屏蔽
屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽, 不让其电磁干扰泄漏。输出线最好用钢管屏蔽, 特别是以外部信号控制变频器时, 要求信号线尽可能短(一般为20 m以内) , 且信号线采用双芯屏蔽, 并与主电路及控制回路完全分离, 不能放于同一配管或线槽内, 周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效, 屏蔽罩必须可靠接地。
4.正确安装
正确的安装可以确保变频器安全和无故障运行,变频器不能安装在经常发生振动的地方, 对振动冲击较大的场合, 应采用加橡胶垫等防振措施; 不能安装在
电磁干扰源附近。安装工艺要求如下:
a. 确保控制柜中的所有设备接地良好, 应该使用短、粗的接地线(最好采用扁平导体或金属网, 因其在高频时阻抗较低)连接到公共地线上。按国家标准规定, 其接地电阻应小于4 ??。另外与变频器相连的控制设备(如PLC 或PID 控制仪)要与其共地;
b. 安装布线时将电源线和控制电缆分开, 例如使用独立的线槽等。如果控制电路连接线必须和电源电缆交叉, 应成90?交叉布线;
c. 使用屏蔽导线或双绞线连接控制电路时, 确保未屏蔽之处尽可能短, 条件允许时应采用电缆套管;
d. 确保控制柜中的接触器有灭弧功能, 交流接触器采用R- C 抑制器, 也可采用压敏电阻抑制器, 如果接触器是通过变频器的继电器控制的, 这一点特别重要;
e. 用屏蔽和铠装电缆作为电机接线时, 要将屏蔽层双端接地;
f 如果变频器运行在对噪声敏感的环境中, 可以采用RFI滤波器减小来自变频器的传导和辐射干扰。为达到最优效果, 滤波器与安装金属板之间应有良好的导电性。
变频器控制回路的抗干扰措施
由于主回路的非线性(进行开关动作),变频器本身就是谐波干扰源,而其周边控制回路却是小能量,弱信号回路,极易遭受其他装置产生的干扰,造成变频器自身和周边设备无法正常的工作.因此,变频器在安装使用时,必须对控制回路
1 变频器的基本控制回路
变频器同外部进行信号交流的基本回路有模拟和数字两种: 1 4~20mA电流信号回路(模拟); 0~5V/1~5V电压信号回路(模拟). 2开关信号回路,变频器的开关信号指令,正反转指令等(数字).外部控制指令信落通过上述基本回路导入变频器,同时干扰源也在其回路上产生干扰电势,以控制电缆为媒体入侵变频器.
2 干扰的基本类型及干扰措施
1 静电耦合干扰指控制电缆与周围电器回路的静电容耦合,在电缆中产生的电势.
措施:加大与干扰源电缆的距离,达到导体直径40倍以上时,干扰程度就不大明显了.
在两电缆间设置屏蔽导体,在将屏蔽导体接地.
2 静电感应干扰指周围电器回路产生的磁通变化在电缆中感应出的电势,干扰的大小取决干扰源电缆产生的磁通大小,控制电缆形成的闭环面积和干扰源电缆与控制电缆间的相对角度.
措施:一般将控制电缆与主回路电缆或其他动力电缆分离敷设,分离距离通常在30CM以上(最低为10CM),分离困难时,将控制电缆穿过铁管敷设.将控制导体绞合,绞合间距越小,敷设的路线越短,抗干扰的效果越好.
3 电波干扰指控制电缆成为天线,由外来电波在电缆中产生电势.
措施:同 1 和 2 所述,必要时将变频器放入铁箱内进行电波屏蔽,屏蔽时的铁箱要接地.
4 接触不良干扰指变频器控制电缆的电接点及继电器处电接触不良,电阻发生变化在电缆中产生的干扰.
措施:对继电器采用并联触点或镀金触点继电器或选用密封式继电器,对电缆进行拧紧加固处理.
5 电源线传导干扰指各种电器设备从同一电源系统获取供电时,由其他设备在电源系统中直接产生电势.
措施:变频器的电源由另外系统供电,在控制电源的输入侧装设线路滤波器或隔离变压器,且屏蔽接地.
6 接地干扰指机体接地和信号接地.对于弱电压电流回路及任何不合理的接地均可诱发干扰,比如设置两个以上的接地,接地会产生电位差,产生干扰.
措施:速度给定的控制电缆取一点接地,接地线不作为信号的通路使用.电缆的接地在变频器侧进行,使用专设的接地端子,不与其他接地端子共用,并尽量减少接地端子引接点的电阻,一般不大于100欧.
3 其他注意事项
1 装有变频器的控制柜,应尽量远离大容量的变压器和电动机.其控制电缆线路也应避开这些漏磁通大的设备.
2 弱电压电流控制电缆不要接近易产生电弧的接触器和短路器
3 建议电缆采用1.25*2mm或2*2mm屏蔽绞合绝缘电缆.
4 屏蔽电缆的屏蔽要连接到电缆导体一样长.电缆在端子连接箱中连接时,屏蔽端子要互相连接.
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