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谐波标准及变频器谐波干扰的解决方法

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一、前言

  采用变频器驱动的电动机系统因其节能效果明显、调节方便、维护简单、网络化等优点而被越来越多的应用。但是,由于变频器特殊的工作方式带来的干扰越来越不容忽视。变频器干扰主要有:一是变频器中普遍使用了晶闸管或者整流二极管等非线性整流器件,其产生的谐波对电网将产生传导干扰,引起电网电压畸变(电压畸变率用THDv表示,变频器产生谐波引起的THDv在10~40%左右),影响电网的供电质量;二是变频器的输出部分一般采用的是IGBT等开关器件,在输出能量的同时将在输出线上产生较强的电磁辐射干扰,影响周边电器的正常工作。

  二、谐波和电磁辐射对电网及其它系统的危害

  1.谐波使电网中的电器元件产生了附加的谐波损耗,降低了输变电及用电设备的效率。

  2.谐波可以通过电网传导到其它的用电器,影响了许多电气设备的正常运行,比如谐波会使变压器产生机械振动,使其局部过热,绝缘老化,寿命缩短,以至于损坏;还有传导来的谐波会干扰电器设备内部软件或硬件的正常运转。

  3.谐波会引起电网中局部的串联或并联谐振,从而使谐波放大。

  4.谐波或电磁辐射干扰会导致继电器保护装置的误动作,使电气仪表计量不准确,甚至无法正常工作。

  5.电磁辐射干扰使经过变频器输出导线附近的控制信号、检测信号等弱电信号受到干扰,严重时使系统无法得到正确的检测信号,或使控制系统紊乱。

  一般来讲,变频器对电网容量大的系统影响不十分明显,这也就是谐波不被大多数用户重视的原因。但对系统容量小的系统,谐波产生的干扰就不能忽视。

  三、有关谐波的国际及国家标准

  现行的有关标准主要有:国际标准IEC61000-2-2,IEC61000-2-4,欧洲标准EN61000-3-2,EN61000-3-12,国际电工学会的建议标准IEEE519-1992,中国国家标准GB/T14549-93《电能质量共用电网谐波》。下面分别做简要介绍:

  1.国际标准

  IEC61000-2-2标准适用于公用电网,IEC61000-2-4标准适用于厂级电网,这两个标准规定了不给电网造成损害所允许的谐波程度,它们规定了最大允许的电压畸变率THDv.

  IEC61000-2-2标准规定了电网公共接入点处的各次谐波电压含有的THDv约为8%.

  IEC61000-2-4标准分三级。第一类对谐波敏感场合(如计算机、实验室等)THDv为5%;第二类针对电网公共接入点和一部分厂内接入点THDv为8%;第三类主要针对厂内接入点THDv为10%.

  以上两个标准还规定了电器设备所允许产生谐波电流的幅值,前者主要针对16A以下,后者主要针对16A到64A.

  IEEE519-1992标准是个建议标准,目标是将单次THDv限制在3%以下,总THDv限制在5%以下。

  2.国内标准

  GB/T14549-93中规定,公用电网谐波电压(相电压)限值为380V(220V)电网电压总THDv为5%,各次谐波电压含有率奇次为4%,偶次为2%.

  由以上标准看来,一般单次电压畸变率在3~6%,总电压畸变率在5~8%的范围内是可以接受的。

  四、减少变频器谐波对其它设备影响的方法

  1.增加交流/直流电抗器

  采用交流/直流电抗器后,进线电流的THDv大约降低30%~50%,是不加电抗器谐波电流的一半左右。

  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。

  3.无源滤波器

  采用无源滤波器后,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。

  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,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。

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:

  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。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.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。

  常用的为双孔磁芯滤波器的结构。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。

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