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變頻器產(chǎn)生諧波對電動機的影響及其治理措施

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專家講堂2

變頻器產(chǎn)生諧波機理
變頻器是非線性設(shè)備，其主電路一般都采用交—直—交電壓逆變方式，外部輸入的380V50Hz工頻電源，經(jīng)三相橋式電路整流成直流電壓，再電容濾波及大功率晶體管逆變?yōu)轭l率可變的交流電流輸出，為需要調(diào)速的電動機提供頻率可變的電源。根據(jù)電動機轉(zhuǎn)速公式n=[(60f)/p](1-s)可知，將輸入頻率可變的電流，即可實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。
  變頻器的整流回路是由大功率=極管組成電路，輸入電流波形為不規(guī)則的矩形波，其波形按傅立葉級數(shù)進行分解，除了得到與電源基波頻率相同的分量外，還有一系列大于電源基波頻率分量的高次諧波。
  諧波實際上是一種干擾量，系指x一個周期電氣量的非正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。每個諧波都有不同的頻率、幅值與相角，高次諧波頻率與基波頻率的比值稱為諧波次數(shù)，有偶次諧波與奇次諧波之分。一般講奇次諧波造成危害比偶次諧波更大，在三相整流負載中出現(xiàn)諧波為3、5、7、11、13……次諧波。
同理，在逆變輸出回路中，輸出電流信號受載波信號調(diào)制而變成脈沖波形，其波形按傅立葉級數(shù)進行分解，也分得基波和各次諧波。據(jù)此，變頻器運行中必然會產(chǎn)生高次諧波，當頻率可變的并含有頗豐高次諧波交流輸入配套電動機，必將對異步電動機造成不良的影響。

變頻器產(chǎn)生諧波對電動機的影響
  異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點而得到廣泛使用。對異步電動機拖動系統(tǒng)進行變頻調(diào)速節(jié)能改造時，可不更換原電動機，而在電動機與電源之間串入相配套型號變頻器，即可實現(xiàn)異步電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但由于變頻器是非線性設(shè)備，運行中必然會產(chǎn)生高次諧波而對電動機造成不良影響。
  按常規(guī)設(shè)計的異步電動機，均設(shè)計在額定頻率和額定電壓下運行的，只有瞞住運行條件才能確保電動機軸上輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率達到額定值。然而在變頻調(diào)速工況下運行的電動機，其輸入電流的頻率是個變量，通過改變輸入電流的頻率即可實現(xiàn)異步電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但由于輸入電流頻率的變化，故對電動機輸出的軸功率會造成影響。所以對不同拖動系統(tǒng)電動機容量的選擇上，應(yīng)考慮這種影響而有一定的容量裕度。
通常使用中異步電動機，均在額定功率和允許溫升條件下運行，其溫升是不容易超過規(guī)定值。但在變頻調(diào)速工況下運行的異步電動機，由于輸入電流含有頗豐的高次諧波，因為會因諧波電流產(chǎn)生附加損耗。同時因諧波電流影響，而使輸出軸功率有所下降，運行效率降低，溫升增高等異常情況。異步電動機運行中，若發(fā)生溫升增高必將導致線圈絕緣的揮發(fā)和降解加速，介電強度和體積電阻率下降，還會造成絕緣的炭化而喪失絕緣功能。另外，諧波電流產(chǎn)生的附加磁場，相對于轉(zhuǎn)軸是高速度旋轉(zhuǎn)的，它產(chǎn)生的軸電勢較高，會擊穿軸承的油膜，使軸電流流過軸承而造成損害。
  異步電動機的線圈間存在著分布電容，高次諧波電壓輸入時，使各線圈之間的電壓分擔不均勻，導致承擔高電壓線圈絕緣老化加速，從而使首匝線圈絕緣損傷。在變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)中，變頻器輸出電壓的幅值是額定電壓的3倍，再加上變頻器電壓變化率(du/dt)很高，它所引起的振蕩使電動機線圈收到應(yīng)力變得更大，導致線圈絕緣老化。在開關(guān)頻率很高工況下，變頻器和電動機之間連接電纜，若是長度過長時會產(chǎn)生駐波，將導致電動機端電壓的升高，這種高電壓也會加速線圈絕緣的老化，而影響電動機的使用壽命。

變頻器產(chǎn)生諧波的治理措施
1.隔離措施
  隔離是電磁兼容的重要技術(shù)措施之一，系指從電路上把干擾源和易受干擾元件隔開，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，通常在電源與放大電路之間使用隔離變壓器以消除傳導干擾，其次，將不同信號線隔開鋪設(shè)，或采用屏蔽雙絞線，或各自單獨走線，使信號線不與電力線平行走線。
2.屏蔽措施
  屏蔽是電子設(shè)備電磁兼容的重要措施，它能有效地抑制通過空間傳播的各種干擾源，既可阻止或減少電子設(shè)備內(nèi)的輻射電磁能量對外傳播，又可阻止或減少外部輻射對電子設(shè)備的影響。根據(jù)屏蔽機理，變頻器常用的是電場平布，即是采用金屬導體的外殼將變頻器屏蔽，不讓其干擾源泄漏。同時變頻器的控制線也要屏蔽，并做好屏蔽層的良好可靠接地。
3.濾波措施
濾波既可抑制從電子設(shè)備輸出的干擾源，又能抑制從電源引入的干擾源。為減少電磁噪聲，可在變頻器輸出側(cè)設(shè)置輸出濾波器;為減少電源的干擾，可在變頻器輸入側(cè)設(shè)置輸入濾波器，同時濾波器外殼應(yīng)和變頻器外殼牢固連在一起并可靠接地，其目的是建設(shè)接觸電阻，提高濾波效果。另外，為抑制變頻器輸入側(cè)諧波電流，改善功率因數(shù)，可在輸入端串聯(lián)交流電抗器;為改善變頻器輸出電流質(zhì)量，可在輸出側(cè)串聯(lián)交流電抗器。

治理變頻器諧波有效的方法還是要數(shù)有源濾波器，領(lǐng)步北京針對變頻器諧波干擾問題，專門研發(fā)成功了一款變頻器專用有源濾波器，它能夠針對變頻器產(chǎn)生的諧波進行精確的消減，既能夠達到95%以上諧波消除能力，又具有較高的性價比。目前已廣泛應(yīng)用于數(shù)百個含有變頻器的配電系統(tǒng)中。詳情請點擊下圖進行了解！

4.接地措施
接地分為保護接地和工作接地，其作用均為抑制干擾源，提高電子設(shè)備抗電磁干擾的能力。變頻器的正確可靠接地是抑制噪聲和減少干擾主要措施，如將變頻器與電源分開接地，其抑制干擾效果更好。
變頻器的接地，先在機柜內(nèi)將各種接地線匯于柜內(nèi)的匯流排，然后用粗銅線接到公共接地體上。但應(yīng)禁止與電源、避雷器的接地線連在一起，接地線之間的絕緣應(yīng)良好可避免接地干擾。
5.其他措施
為避免長電纜產(chǎn)生駐波，變頻器與電動機之間連接電纜長度應(yīng)盡量短，更不能將過長的電纜盤成圈狀放在機柜內(nèi)。變頻器進線電纜應(yīng)套上長約1.5~2米的金屬蛇皮管，蛇皮管外殼要可靠接地。
另外，對變頻調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)選用不易輸出高反射電壓的變頻器，以提高運行效率。若有更換拖動系統(tǒng)的原電動機時，Z好選用專用的變頻器驅(qū)動電動機。

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