变频器应用中的干扰及抑制

·输配 水技术与设备 · C I T A N D T O W Ig W A T E R S U P P疆 L g q p , 瀚 黼麓毋 ■ 疆 I ， 变频器应用中的干扰及抑制 王峰 郭京 梁 良 ( 北京市 自来水集团有限责任公司第九水厂，北京 1 0 0 1 9 2 ) 摘要 ：变频器是工业控 制 中的一种通过改 变供 电电源频率 来调 节电动机转速 的装置。变频 器以其具有 节 能、可靠、高效的特性在供 水系统中得到广泛应用。为 了提 高生产效率 ，北京市 自来水集 团第九水厂一、二 期工程 中引进 了四台西门子 电流源型 变频器。由于 电流源型 变频器的工作原理不可避免的带来 了以谐波、噪 声等为表现形式的干扰 问题 。本文主要探讨 了变频器在我厂应用 中遇到的 电磁干扰的危 害及抑制干扰 的有效 措施 。 关键词 ：变频 器干扰抑制 北京市 自来水集团有限责任公司第九水厂是北京 市最大的地表水厂 ，设计 日供水能力l 5 万立方米 ，承 担着5 0 ％的首都供水重任 ． 第九水厂一期 ( 1 9 8 6 年)装 配有2 台2 5 0 0 k w西门子电流源型模拟控制变频调速装 置 ，二期装配有2 台2 5 0 0 k w西门子 电流源型数字控制 变频调速装置。这4 台变频调速装置具有调节转速方 便、调节精度高、减轻了工作人员劳动强度、节电节 能、可靠性高等优点。同时 ，由于 电流源变频器的工 作原理 ，不可避免的带来了以谐波 、噪声等为表现形 式的电磁干扰问题 。这些 电磁干扰会对设备及附近的 仪器仪表产生影响，对电网电力系统产生污染。 北京第九水厂4 台西门子S I MO V E R T A电流型变 频器 ，由于触发换相角不等 ，该装置产生大量谐波 ， 并且非特征谐波含量也很大 ，电磁干扰严重 ，造成继 电器信号盘元件振 动噪 声最大 ，主变压器运行噪声 加剧。后经9 0 年电力科学研究院、市政设计院、大连 第二变压器厂、第九水厂等单位组织设计解决方案， 安装一套滤波装置有效解决了电磁干扰问题 ，但是该 方案设备投资比较大。而后二期机房 引进2 台西 门子 变频器，这样原一期设计 的高通滤波装置容量明显不 能满足使用要求。因此 ，对原有滤波器进行 了重新设 计和改造 ，将电磁干扰控制在合理范围内。第九水厂 进行三期建设时考虑了电流源型变频器产生谐波问题 而引进 了美国罗宾康公司 ( 现 已被德国西门子公司收 购)生产的完美无谐波系列变频器。罗宾康完美无谐 波变频器具有谐波小、输 出波形好对电机无特殊要求 等优点，同时也具有电压型变频器不能四象限运行等 缺点。本文将探讨变频器应用中的干扰及抑制问题。 1 、变频器的电磁干扰及危害 电磁干扰也称 电磁骚扰( E MI ) ，是以外部噪声和 无用信号在接收中所造成的电磁干扰 ，通常是通过 电 路传导和以场的形式传播的。 1 ． 1 西门子变频器电磁干扰如何产生 第九水厂装配四台西门子S I MO VE RT A电流源 型变频调速机组 ， ( 其一次接线图如图l 所示 )其 电 源 回路可控硅整流器S R I ~ W 可控硅逆变器S R 2 这两个 元件是通过直流耦合电抗L 2 相互连接的。输入端的可 控硅整流器S R 1 变换直流耦合电压以控制直流耦合 电 流的大小。直流耦合电抗L 2 提供整流器与逆变器之间 的去耦 ，保证外加电流的低波值 。输出端的可控硅逆 变器S R2 将直流耦合 电流输送到电机的线圈中。一般 情况下整流器产生的谐波次数为 ： N=PK ± 1 式中：N为谐波次数 ，K为正整数 ，P 为脉冲数。 对三相六脉 冲整流器 ，在对 称情 况下 ，主要有 5 、7 、1 1 、1 3 、l 7 、l 9 、2 3 、2 5 次谐波 。西门子公司 采用两组变频器并联形式 ，十二脉冲触发系统。其一 以Y／ Y形式接于整流变压器副边 ，其二以Y／ △形式 接于整流变压器副边 ，可以证 明在相同的负荷情况 下 ，采用Y／ Y和Y／ △的三线 圈变压器，在电源侧的 公共点上不会 出现5 、7 、1 7 、1 9 次谐波，更不会出现 偶次谐波。但在变压器副边的负荷不一致情况下 ，二 侧谐波就不会获得较好的抵偿效果。在实际应用中， 这四台变频器所产生谐波含量异常丰富，不但奇次谐 波 出现 ，偶次谐波同样存在 ，不仅有特征谐波含量， 非特征谐波含量也很大。 城镇供水 N O． 1 2 0 1 0 3 1 ~CIT Y A N D— T OWN WAT ER SUP PL ， 1 ． 2 标准限值 1 ． 2 ． 1 谐波电压限值 国家标准GB ／ T 1 4 5 4 9 -9 3 电能质量公用电网 谐波 规定的电网谐波电压 ( 相电压 )限值： f ( k V ) l ( ％ ) I 奇 次 f 偶次 i l 6 { 4 ． 0 f 3 2 1 6 l 1 ． 2 ． 2 三相电压不平衡度允许值 国家标准G B ／ T 1 5 5 4 3 -1 9 9 5 电能质量 三相电 压允许不平衡度 规定电力系统公共连接点正常电压 不平衡度允许值为2 ％，短时不得超过4 ％；接于公共 连接点的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许 值一般为1 ． 3 ％。 1 ． 3 N次谐波的危害 1 ． 3 ． 1 对电力系统的影响 谐波使电网中的电容器产生谐振 。谐波频率时 ， 由于电容器的容抗与频率成反比，感抗值成倍增加而 容抗值成倍减少 ，这就有可能出现谐振 ，谐振将放大 谐波电流，使励磁电流加大 ，使电容器成倍地超过负 荷，导致电容器等设备被烧毁。在一期变频机组投运 初期，谐波对厂内一、二次电气设备产生 了危害。如 6 k V] ： [z 联补偿电容器组 由于谐波电流放大而产生过电 流 ，某些 自控设备损坏 ，电气设备发生噪音并伴随振 动等。谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降 低发电、输电及用电设备的效率 ，大量的高次谐波流 过中性线会使线路过热甚至发生火灾。在第九水厂电 力系统中，发生过由于谐波电流集肤效应而使连接线 过热氧化，烧断连接线，烧毁电阻器的故障。 3 2 城镇供水 N O． 1 2 0 1 0 ·输配水技术与设备 · 1 ． 3 ． 2 对电机的影响 谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路 以及定子和转子铁芯中引起附加损耗。由于涡流和集肤 效应的关系，定子和转子导体内的这些附加损耗要比直 流电阻引起的损耗大。总的谐波损耗可用下式表示： T 1 D ∑P 一 ∑3 I 2 R 呔 + ∑3 I m 2 R + ∑0 ． 0 1 ( { ) k 2 ( ) 式 中 ：k 为谐波次数 ； ∑3 I ~2 k 为定子谐波铜 ， ． 耗； 一 一 2 尺 为转子谐波铜耗 ；∑0 ． o 1 ( 二 ) 1) ， 』 为谐波铁耗和谐波杂质损耗； 曲 为定子第k 次谐波电 流有效值 ；， 为转子第k 次谐波电流有效值 ；， 为定 子基波电流有效值 ； 为第k 次谐波频率下考虑集肤 效应的每相转子电阻( 折合到定子侧) ；P 为电机的功 率。 另外，谐波电流还会增大电机的噪声和产生脉动 转矩 。转子第k 次谐波电流与基波旋转磁场产生的脉 动转矩可由下式表示 ： 0 一 ． T k — l = I k E rc o s ( k ( 1) t 一 ) 式中： ， 为转子基波电势( 折算到定子侧) ；／ 。】 为定子基波频率 ；P 为 电机的磁极对数 ； ， 为t =0 时， 地 与 E 的相位差。 1 ． 3 ． 3 对变压器的影响 变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效 应和邻近效应。在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁 耗相应增加 。另外 ，3 的倍数次谐波零序电流在△接 法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使绕组 电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说 ， 如果负载电流中含有直流分量 ，会引起变压器的磁路 饱和 ，从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量。第 九水厂西门子系列变频器中变压器 ( T8 、T 9 、T 7 、 T 4 等)，设备容量小 ，在高次谐波影响下非常容易击 穿烧坏，曾连续烧坏7 台T 9 变压器，4 台T 8 变压器。 2 抑制干扰的有效措施 2 ． 1 变频器的隔离、屏蔽、接地 变频器系统的供电电源与其它设备的供电电源应 该相互独立。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 ，电源隔离变压器 可应用噪声隔离变压器；或在变频器和其它用电设备 的输入侧安装隔离变压器；同时变频器输出电源应尽 量远离控制电缆敷设( 不小于5 0 ram间距) ，必须靠近 ·输配水技术 与设备 · 敷设时尽量以正交角度跨越 ，必须平行敷设时尽量缩 短平行段长度( 不超过l m) ，输 出电缆应穿钢管并将钢 管作电气连通并可靠接地 。 接地的方式也分 多种 ，单点接地指在一个 电路或 装置中，只有一个物理点定义为接地点 ，在低频下的 性能好 ；多点接地是指装置中的各个接地点都直接接 到距它最近的接地点，在高频下的性能好 ；混合接地 是根据信号频率和接地线长度 ，系统采用单点接地和 多点接地共用的方式。接地点要切实可靠 ，不要 因为 接地不良而对设备产生干扰 。 2 ． 2 罗宾康完美无谐波变频器 五 单 元 串 联 多 重 化 电 压 源 型 变 频 器 ： 美 国 罗 宾 康 公 司 利 用 单 元 串 联 多 重 化 技 术 ， 生 产 出 功 率 为 3 l 5 k W ～ 1 0 1 T I W 的 完 美 无 谐 波 ( P E R F E C THARMO NY) 中高压变频器，无须输 出变 压器实现 了直接3 ． 3 k V或6 k V高压输 出；在中高压变 频器 中采用 了I GB T 功率开关器件 ，达到 了完美无谐 波的输出波形 ，无须外加滤波器即可满足各国供 电部 门对谐波的严格要求。多重化技术就是每相由几个低 压P WM功率单元串联组成 ，各功率单元 由一个多绕 组的隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以 光导纤维隔离驱动。多重化技术从根本上解决了一般 6 脉冲和1 2 ~2 @变频器所产生的谐波问题 ，可实现完 美无谐波变频。 完 美无谐 波 系~ ll 6 k V变 频 器 ，每 组 由5 个额 定 电压 为6 9 O V的 功率 单 元 串联 ，因此 相 电压 为 6 9 0 V×5 =3 4 5 0 V，所对应的线电压为6 0 0 0 V。每个功 率单元 由输入隔离变压器的l 5 个二次绕组分别供电， l 5 个二次绕组分成5 组 ，每组之间存在一个1 2 。 的相位 差。以中间△接法为参考( 0 。 ) ，上下方各有两套分别 超前 ( +l 2 。 、+2 4 。 )和滞后 ( 一1 2 。 、一2 4 。 )的4 组 绕组。所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来 实现。每个功率单元都是 由低压绝缘栅双极型晶体管 ( I G B T)构成的三相输入 ，单相输出的低压P WM电 压型逆变器。每个功率单元输 出电压为1 、0 、一l 三 种状态电平 ，每} H 5 个单元叠加 ，就可产生1 1 种不同 的电平等级 ，分别为 土5 、±4 、±3 、±2 、±1 和0 。 变频 器由于采用多重化P WM技术 ，由5 对依次相移 1 2 。 的三角载波对基波电压进行调制。对A相基波调制 所得的5 个信号，分别控制A1 ～A5 五个功率单元 ，经 叠加可得具有1 l 级阶梯电平的相电压波形 ，线电压波 型具有2 l 阶梯电平 ，它相当于3 0 脉波变频 ，理论上 1 9 CITYA N 。 D TOW N WATER S j g l 磨 毋 毋 l ■ UPP ■， 次以下的谐波都可以抵消 ，总的电压和 电流失真率可 分另 U 低于 1 ． 2 ％和0 ． 8 ％，堪称完美无谐波变频器。不 必设置输入滤波器和功率因数补偿装置。变频器同一 相的功率单元输 出相同的基波电压，串联各单元之间 的载波错开一定的相位 ，每个功率单元的I G B T开关 频率若为6 0 0 Hz ，则当5 个功率单元串联时 ，等效的输 出相电压开关频率为6 k Hz 。功率单元采用低的开关 频率可以降低开关损耗 ，而高的等效输出开关频率和 多电平可以大大改善输 出波形。波形的改善除减小输 出谐波外，还可以降低噪声。 单元串联多重化变频器带来完美输入输出波形的 同时，其缺点是 ：1 )使用的功率单元及功率器件数 量太多，6 k V系统要使用 1 5 0 只功率器件 ( 9 0 只二极 管 ，6 0 只I GB T)，装置的体积太大 ，重量大 ，安装 位置成问题 ；2 )无法实现能量回馈及四象限运行， 且无法实现制动 ；3 )当电网电压和 电机 电压不同时 无法实现旁路切换控制。 在实际使用中，我厂三期机房配置三定二调五台 电机 ，其 中二台调速机采用罗宾康完美无谐波6 k V变 频器，一般最多三台电机同时运行。我们对其产生谐 波情况进行 了测试 ( 测试结果如附录二所示)，其三 相电流不平衡度最大值0 ． 7 4 ％，功率 因数高达0 ． 9 5 7 。 结果表明投入一台调速机无谐波问题 ( 见表1 )。 表 1 三相不平衡 有功功率 无功功率 功率 因数 备注 内容 度 ( ％) ( k W) ( k V a r) 最大值 0 ． 7 4 1 7 5 0 5 3 0 0 ． 9 5 7 最小值 O ． 5 6 1 7 3 3 5 2 3 0 ． 9 5 7 不投电容器 2 ． 3 加装滤波补偿装置 将无源滤波器安装在变频器的交流侧，无源滤波 器 由L、C、R元件构成谐波共振 回路 ，当L C回路的 谐波频率和某一次高次谐波 电流频率相同时，即可阻 止高次谐波流入 电网。无源滤波器特点是投资少、频 率高、结构简单 、运行可靠及维护方便。无源滤波器 缺点是滤波易受系统参数的影响 ，对某些次谐波有放 大的可能、耗费多、体积大 。 有源滤波器 ( AP F)的工作原理通过对电流中高 次谐波成分进 行检测 ，根据检测结果运算后输出与 高次谐波成分具 有反相位的 电流信号 ，再驱动功率 器件 ，接向电源提供谐波补偿 电流。为 了能够对具 有不 同次数的高次谐波 电流进行补偿 。AP F 必须采 用P WM控制方式 ，实时产生任意相位电流 ，使该电 流与要补偿的某高次谐波电流反相位。AP F 的开关器 城镇供水 N O． 1 2 0 1 0 3 3 ! ! } y 第九水厂三期机房一台调速机运行时的谐波 6 k V母线谐波电压 ( ％ ) 6 k V出线谐波电流 ( A ) 谐波次数 不投电容 1 x 5 4 0 k V a r 不投电容 1 x 5 4 0 k V a r T } ID( ％ ) L 3 2 1 ． 4 5 2 ． 5 1 4 ． 4 0 l 1 0 0 ．0 0 1 O O． 0 0 1 7 4． 3 7 1 6 5． 2 8 2 0 ． 42 0 ． 41 2 80 2 ．7 5 3 0 ． 55 0 ． 5 8 2 ． 2 9 1 ． 59 4 0 ． 17 0 ．1 5 0 ． 8 9 0 ． 85 5 O． 8 6 0． 9 2 1 ． 71 1 ． 6l 6 0． 1 6 O 1 6 O． 9 6 0 ． 97 7 O． 1 5 0．1 9 O 9 9 1 ． 27 8 0． 1 7 0．1 6 0． 4 8 0． 5 2 9 0． 21 O． 1 8 0． 7 3 O 7 4 1 0 O ．2 1 0 ．2 0 0 ．3 9 0． 4 3 1 1 O ．1 8 O ．2 4 l 7 7 2． 2 0 l 2 0 ．1 6 O 1 8 0 ．4 4 0 5 2 l 3 0 ．2 3 0 ．3 O 0 ．6 0 1． 6 7 1 4 0 ．1 5 0 ．1 6 0 ．3 6 O 5 4 1 5 O ． 21 0 ． 25 0 ．5 O 1 ．2 2 1 6 O ． 23 0 ．1 9 0 ． 35 0 ． 6O l 7 0 ．1 9 0 ． 3 8 0 ．7 5 3 25 1 8 0 ．1 6 0 ．1 9 0 ． 3 0 0 ． 85 1 9 O． 1 7 0 5 7 0． 61 4． 8 2 2 0 0． 1 6 0． 1 8 0 2 8 1 ． 0 4 21 0 ．1 7 O ．2 2 0． 3 5 l 1 3 22 0 ．1 6 0 ．2 O 0． 3 2 O． 7 4 23 O ．1 6 O 1 8 0． 3 3 0． 7 9 24 0 ．1 6 0 ．1 8 O． 2 9 0 5 2 2 5 0 ． 1 9 0 ． 2 0 0 ． 4 4 O ． 6 3 件也采用G TO、I G B T 等 ，目前已成为通用系列化产 品，可用于高压或低压大功率变频器的谐波补偿。 对于大型冲击性负荷，可装设无功功率的静止型 无功补偿装置，以获得补偿负荷快速变动的无功需求， 改善功率因数，滤除系统谐波，减少向系统注入谐波电 流，稳定母线电压，降低三相电压不平衡度，提高供电 系统承受谐波能力。而其中以自饱和电抗型( S R 型) 的效 果最好，其电子元件少，可靠性高，反应速度陕，维护 方便经济，且我国一般变压器厂均能制造。 以第九水厂一 、二期机房为例 ，共配置二定四调 六台电机 ，其中四台调速机采用西门子S I MOVE RT A电流源型变频器。投入运行后对厂内6 k V电力系统 影响较大 ，后经测试设计安装 了八组滤波器 ，二、 三、四、五、六次单通滤波器 ，三级高通滤波器特征 频率选七次。当九厂三台以上调速机组运行时，在无 任何滤波补偿措施下，注入水厂6 k V总进线的8 、9 、 l 0 、l 1 、1 2 、1 3 、1 4 、1 5 、1 6 、1 7 、1 8 z k谐波电流 和注入1 1 0 k V公共连接点的1 1 次谐波 电流超过按 国 标 ) )换算的允许值 。6 k V母线谐波 电压总畸变率为 6 ． 4 1 3 ％，1 1 0 k V母线谐波电压总畸变率为3 ． 2 3 ％，超 过4 ％ 和2 ％ 的 国标))允许值，投入滤波器后，上述 两项数值下降到2 ． 1 l 7 ％ ~ U 1 ． 1 1 ％。 ( 测试结果如表2 所示)。 投入所有滤波器时注入水厂6 k V 总进线的谐波及负荷平均功 3 4 城镇供水 N O ． ，2 0 1 0 · 输配水技 术与设备 · 率因数 ( 机组运行工况：三调一定)C T ： 2 0 0 0 A ／ 5 A 表2 8 0 ％( A) 9 0 ％( A ) 1 0 0 ％( A ) 谐波电 运行工况 流电压 统计值 3秒、 均 统计值 3秒平均 统计值 3秒平均 允许值 Ut m a x 1 ．7 9 5 ％ 1 ． 7 63 ％ 1 ．9 3 2 ％ 1 ． 9 49 ％ 2 1 l 7 ％ 2． 0 91 ％ 4 7 6 C OS a 0 98 8 3 0 98 8 3 0 ． 98 5 5 O ． 96 投入所有滤波器时注入水厂1 1 0 k V 总进线的谐波及负荷平均 功率因数 ( 机组运行工况：三调一定)c T ： 1 5 0 A ／ S A 8 0 ％ ( A) 9 0 ％ ( A) 1 0 0 ％ ( A) 谐波电 运行工况 流电压 统计值 3秒平均 统计值 3秒平均 统计值 3秒平均 允许值 O t mox 1 0 2 6 ％ 1 0 4 O ％ 1 ． 0 3 2 ％ 1 ．0 5 6 ％ 1 ． 1 1 O ％ 1 ．0 3 8 ％： ％ C 0 S a 0 ． 9 8 3 2 0 ．9 7 5 3 0 ． 9 7 7 2 0 ． 9 0 2 ． 4 国内外抑制谐波办法的比较 目前国外主流变频器生产厂家都没有用多单元串 联结构 ，除专利的 因素外 ，成本 因素也不容忽视。 AB B公司变频器采用新型功率器件集成门极换流 晶 闸管( I GC T)的三电平变频器 ，输 出电压等级有 2 ． 2 k V、3 ． 3 k V, ~ 4 ． 1 6 k V。这种类型变频器采用高压 I G B T、I GC T 的三电平变频器具有结构简单 ，可靠性 高 ，器件数量少，效率高的优点，但产生较大的谐波 分量 ( T HD 达 1 2 ． 8 ％)，波形稍差，需加LC 输 出滤 波器。富士公司采用高压I GB T 开发了中压变频器系 列，它汇集了多电平和多重化，对电动机为完美无谐 波正弦波输出， 损耗降低体积缩小 ， 但相较多重化变频 器多用了1 ／ 3 的器件并且使功率单元的冗余成本增加 了一倍 ，降低了多重化变频器冗余性能好的优点 ，同 时增加了装置的成本。而国内主流公司都在走罗宾康 的路线，并没有电流源型或三电平的高压产品。 目前 国内外中压变频器生产厂家都在用各 自的办法来抑制 谐波 ，各有利弊。 3 、结论 北京 自来水集团第九水厂一、二期四台西门子 S I MOV E R T A电流型变频调速机组电磁干扰问题非 常严重 ，后经治理达到国标要求 ，可是治理过程中费 时费力并且耗资 巨大 ，给所有技术人员留下深刻印 象。而三期采用罗宾康完美无谐波变频器解决了谐波 问题 ，但具有如前所述的缺点 。本文探讨 了西门子 S I MOV E RT A型变频器的干扰问题和罗宾康完美无 谐波系列变频器的抑制谐波原理，介绍了上述两种变 频器在我厂应用中产生谐波的情况 ，提出了变频调速 系统设计之初和具体安装过程中一些切实可行的抑制 干扰措施。希望本文能对各变频器使用单位起到借鉴 作用 。 作者通联：0 l 0 — 6 2 9 l 5 5 5 1 — 6 6 6