變頻器干擾分析及治理丹佛斯：xxx丹佛斯：范逸忻1范逸忻丹佛斯電力電子部（PE）技術(shù)部資深專家電話箱：2

變頻器干擾分類

1、變頻器電源輸入側(cè)會產(chǎn)生高次諧波電氣設(shè)備故障設(shè)備誤操作或跳閘電纜或變壓器過載2、變頻器會產(chǎn)生電磁干擾（EMI）可分為傳導干擾和輻射干擾設(shè)備受到干擾，甚至不能工作，如計算機、收音機、電視機等符合相關(guān)規(guī)章或標準的產(chǎn)品可稱為具有電磁兼容性EMCRFI濾波器3、變頻器輸出端濾波器（du/dt及正弦波濾波器）電機絕緣電壓、EMC電機運行噪音、電流泄露3

變頻器原理圖主電源整流中間回路逆變器控制回路電機負載變頻器基本組成部分：整流器、中間電路、逆變器以及控制回路4

變頻器主回路圖AC交流DC直流DC直流AC交流5

1、什么是諧波電源波形實際供電過程中，電網(wǎng)會連接許多非線性負載。造成了電流和電壓信號的畸變.在供電電網(wǎng)中，理想的交流電信號是：頻率為50/60Hz(如我國是50Hz，美國是60Hz)，電壓或電流為正負等值按比例交替的正弦波信號。6

何謂諧波在一個周期性信號中，未受干擾的理想信號稱為”基波”

“諧波”是指一個周期性信號的組成部分，它特點如下：它本身是一個周期性的信號它的的頻率是基波頻率的整數(shù)倍

即可用基波分量的整數(shù)倍周期正弦函數(shù)之和表示的周期信號稱為諧波電網(wǎng)中:

n次諧波的頻率是:fn=n×基波頻率（50/60Hz）

1次諧波 2次諧波 3次諧波 4次諧波

f1=50Hz

f2=100Hz

f3=150Hz

f4=200Hz

f1=60Hz

f2=120Hz

f3=180Hz

f4=240Hz

71~~~abc23645IDCIDCVabVacVbcIaIbIc標準六脈沖整流橋變頻器為例非線性負載引起的電網(wǎng)側(cè)電壓、電流的畸變

變頻器整流橋的諧波電流8

在電網(wǎng)上產(chǎn)生非正弦波電流

使電電網(wǎng)電壓產(chǎn)生相應的有規(guī)律脈動變頻器整流單元的整流過程

VabVacVbc1~~~abc23645IDCVDCIaIbIc9

整流單元的諧波分析基波11.th7.th13.th5.th諧波的分解101’st(fundamental)11.th7.thS13.th5.th諧波波電電流流分分析析------------------------------------------------基波波電電流流38.57A總諧諧波波畸畸變變THiD104.52%有效效電電流流RMS55.79A(45%)5次諧諧波波電電流流30.41A7次諧諧波波電電流流23.64A11次諧諧波波電電流流10.01A13次諧諧波波電電流流5.07A------------------------------------------------諧波波的的分分解解整流流單單元元的的諧諧波波分分析析111’st(fundamental)11.th7.th13.th5.th諧波波電電流流分分析析------------------------------------------------基波波電電流流38.57A總諧諧波波畸畸變變THiD104.52%有效效電電流流RMS55.79A(45%)5次諧諧波波電電流流30.41A7次諧諧波波電電流流23.64A11次諧諧波波電電流流10.01A13次諧諧波波電電流流5.07A------------------------------------------------諧波波的的分分解解整流流單單元元的的諧諧波波分分析析12時域域圖圖：：直直觀觀的的表表達達信信號號的的周周期期和和副副值值時域域圖圖頻域域圖圖傅立立葉葉變變換換頻域域圖圖：：分分別別表表達達出出信信號號中中基基波波及及各各次次諧諧波波的的副副值值諧波波的的表表達達13諧波波失失真真率率總諧諧波波電電流流失失真真率率THiD總諧諧波波電電壓壓失失真真率率THvDTHiD=THvD=14總諧諧波波電電流流畸畸變變–THiD“基波波電電流流””是是指指由由基基波波提提供供的的電電流流I(h1)(例如如:f1=100A)“總諧諧波波電電流流畸畸變變””是是指指所所有有諧諧波波電電流流對對基基波波電電流流比比值值的的均均方方根根值值.諧波波的的表表達達15諧波波的的表表達達16電壓壓畸畸變變導致致電電氣氣設(shè)設(shè)備備的的故故障障和和損損壞壞增加加電電磁磁干干擾擾(EMI)增加加電電機機損損耗耗導致致電電機機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩矩波波動動導致致設(shè)設(shè)備備誤誤動動作作*諧諧波波導導致致供供電電電電網(wǎng)網(wǎng)的的電電流流和和電電壓壓畸畸變變電流流畸畸變變變壓壓器器過過載載和和噪噪音音增增加加繼電電器器和和斷斷路路器器誤誤動動作作功率率因因數(shù)數(shù)補補償償電電容容損損壞壞相關(guān)關(guān)電電氣氣設(shè)設(shè)備備老老化化電纜纜過過熱熱和和絕絕緣緣等等級級降降低低變壓壓器器過過熱熱和和絕絕緣緣等等級級降降低低諧波波的的危危害害17電流流畸畸變變影影響響負負載載級級性性能能I*Z=V電壓壓畸畸變變影影響響系統(tǒng)統(tǒng)級級性能能非線線性性負負載載的的諧諧波波電電流流以以及及系系統(tǒng)統(tǒng)短短路路阻阻抗抗是是計計算算電電壓壓畸畸變變必必需需的的。。僅僅僅僅知知道道負負載載性性能能是是不不能能夠夠預預報報電電壓壓畸畸變變的的。。背景景電電壓壓畸畸變變也也和和系系統(tǒng)統(tǒng)級級性性能能相相關(guān)關(guān)。。和和二二級級變變壓壓器器電電壓壓畸畸變變一一樣樣。。背背景景畸畸變變可可能能是是其其它它遠遠處處的的能能量量消消費費者者引引起起的的，，經(jīng)經(jīng)常常有有一一點點(0.5-3%).電流和電電壓畸變變標準與推推薦標準準標準/推薦標準國家IEEE519-1992*NorthAmericaEN61000-3-12(..-2)EuropeGB/T14549-1993ChinaPRHKCodeofPractice*HongKong*Recommendations最大電壓失真真值:IEEE519-1992敏感系統(tǒng)一般系統(tǒng)專用系統(tǒng)THvD3%5%10%GB/T14549-1993380v6.6kv10kvTHvD5%4%4%IEEE519-1992:PCC1.中間電壓變壓壓器的初級.這一級的電源源質(zhì)量主要由由供電局負責責，可以要求求他們提供好好的諧波性能能的電源。IEEE519-1992是例子.PCC2.電源質(zhì)量和電網(wǎng)的實際際布局規(guī)劃相相關(guān).如果THvD過高,電網(wǎng)同一側(cè)的的其它用戶會會受到干擾。。這和供電局局沒什么關(guān)系系!如果THID過高,則需要更大的的變壓器，更更粗的電纜，，等等。PCC3.僅和運行設(shè)備備有關(guān)!無相關(guān)性.僅需要檢查某某個THvD值是否符合設(shè)設(shè)備的運行條條件。公共耦合點定定義為一個用用戶與其他用用戶在公共供供電網(wǎng)絡上的的連接點。19標準/推薦產(chǎn)品級EN61800-3變頻器EN61000-3-2 <=16AEN61000-3-12 16to75AEN61000-3-4 16A<(典型的測試：：THiD40th,2.5分鐘測試周期期,Rsce相關(guān))EN61000-3-12:簡單連接(不連接供電電局)MinimalRscI5I7I11I13THIDPWHD3310.77.23.121228120402515104845EN61000-3-12:平衡三相設(shè)備備<75A.(和61003-2-4兼容以及滿足足最小短路電電流比標準與推薦標標準20變頻器產(chǎn)生的的諧波HARMONICCURRENTANALYSIS------------------------------------------------Fund.Current 38.57ATHD104.52%RMScurrent 55.79A5’thHarmonic 30.41A7’thHarmonic 23.64A11’thHarmonic10.01A13’thHarmonic5.07A------------------------------------------------以標準六拍整整流器的輸入入電流為例總諧波電流大大概為104%21電抗器有源:PWM-整流器前置有源有源濾波器無源:多脈波整流橋無源濾波器諧波治理方法法22變頻器外加無無源濾波器總諧波電流控控制在12%以下諧波治理的解解決方案有源濾波器變頻器外加有有源濾波器總諧波電流控控制在5%以下23諧波的集中治治理和分步治治理24丹佛斯的解決決方案暖通空調(diào)專用用變頻器FC102，全系標配雙雙直流電抗器器總諧波電流控控制在40%左右，總諧波波電壓控制在在2.24%以下丹佛斯的無源源濾波器，AHF010和AHF005總諧波電流分分別控制在10%以下和5%以下丹佛斯的有源源濾波器AAF總諧波電流控控制在5%以下25兩款為丹佛斯斯變頻器專門門設(shè)計的產(chǎn)品品AHF010-THiD10%AHF005-THiD5%電壓:380-690V(±10%)頻率:50-60Hz(±10%)防護等級:IP00和20(NEMA1/21選件)尺寸:8種機箱規(guī)格諧波:整體諧波抑制制>5th認證:CE,UL,cUL,額定:10A-480A(400V)并聯(lián)可實現(xiàn)更更大功率(最大3個單元)選件:NEMA1(端子蓋)以及IP21套件丹佛斯無源濾濾波器26丹佛斯有源濾濾波器27丹佛斯低諧波波變頻器集成有源濾波波器的變頻器器，為要求低低諧波的應用用提供一體化化的解決方案案產(chǎn)品系列：FC102，F(xiàn)C202，F(xiàn)C302功率范圍：132-1000kW電壓：380-690V防護等級：IP21，IP54LHD282、什么是電磁干干擾（EMC）電磁干擾(ElectromagneticInterference)，簡稱EMI，有傳導干擾擾和輻射干擾擾兩種傳導干擾主要要是電子設(shè)備備產(chǎn)生的干擾擾信號通過導導電介質(zhì)或公公共電源線互互相產(chǎn)生干擾擾，傳導干擾擾一般是通過過電壓或電流流的形式在電電路中進行，，頻率范圍為為150kHz-30MHz傳播輻射干擾擾是指電子設(shè)設(shè)備產(chǎn)生的干干擾信號通過過空間耦合把把干擾信號傳傳給另一個電電網(wǎng)絡或電子子設(shè)備，頻率率范圍為30MHz-1GHz為了防止一些些電子產(chǎn)品產(chǎn)產(chǎn)生的電磁干干擾影響或破破壞其它電子子設(shè)備的正常常工作，各國國政府或一些些國際組織都都相繼提出或或制定了一些些對電子產(chǎn)品品產(chǎn)生電磁干干擾有關(guān)規(guī)章章或標準，符符合這些規(guī)章章或標準的產(chǎn)產(chǎn)品就可稱為為具有電磁兼容性EMC(ElectromagneticCompatibility)29Radiatednoiseifunscreened變頻器可看成成一個“高頻干擾源”變頻器將干擾擾信號通過電電機電纜傳播播出去屏蔽電纜電纜纜將阻止并““捕獲”這些些干擾從電機電纜到到接地的雜散散電容和電機機電纜到屏蔽蔽層的雜散電電容、以及從從電機繞組到電機機機殼的雜散電電容，所有這這些都提供了了高頻干擾的的低阻通道電磁干擾（EMI）30Radiatednoiseifunscreened變頻器可看成成一個“高頻干擾源”變頻器將干擾擾信號通過電電機電纜傳播播出去屏蔽電纜電纜纜將阻止并““捕獲”這些些干擾從電機電纜到到接地的雜散散電容和電機機電纜到屏蔽蔽層的雜散電電容、以及從從電機繞組到電機機機殼的雜散電電容，所有這這些都提供了了高頻干擾的的低阻通道這些干擾“總想尋找通道道回到它的發(fā)發(fā)源地”(即形成回路回回到變頻器)電磁干擾（EMI）31Radiatednoiseifunscreened電磁干擾（EMI）變頻器可看成成一個“高頻干擾源”變頻器將干擾擾信號通過電電機電纜傳播播出去屏蔽電纜電纜纜將阻止并““捕獲”這些些干擾從電機電纜到到接地的雜散散電容和電機機電纜到屏蔽蔽層的雜散電電容、以及從從電機繞組到電機機機殼的雜散電電容，所有這這些都提供了了高頻干擾的的低阻通道這些干擾“總想尋找通道道回到它的發(fā)發(fā)源地”(即形成回路回回到變頻器)必須為這些干干擾建立一個個閉合的低阻阻通道以避免其通過過地線或進線線側(cè)返回32電磁干擾（EMC）Radiatednoiseifunscreened如何治理？33電磁干擾（EMC）如何治理？安裝屏蔽電機機電纜34電磁干擾（EMC）如何治理？安裝屏蔽電機機電纜屏蔽電纜必須須在兩端都做做接地（變頻頻器和電機側(cè)側(cè)）避免豬尾巴式式接線使用專用屏蔽蔽線纜夾如果屏蔽線必必須斷開，則則應參照示例例方法處理電源進線與電電機電纜分隔隔（推薦300mm）35Danfoss錯誤!豬尾巴式接線線屏蔽電纜示例:電機隔離器電磁干擾（EMC）36DanfossIScreenIScreenIScreenIScreen屏蔽電纜示例：電機隔隔離器良好的外殼接接地線夾電磁干擾（EMC）37電磁干擾（EMI）的危害傳導干擾進入入電源或來自自變頻器和電電機電纜的輻射干擾可能能引起：其它控制系統(tǒng)統(tǒng)和計算機不不能正常工作作收音機，電視視機及監(jiān)視設(shè)備嚴重重受到干擾電子設(shè)備因其其電源過載而而停止工作高靈敏測量及監(jiān)視設(shè)備將停停止工作381020304050607080901000AveragedBμV30.010.01.00.15MHz130120110Upto100AmpAbove100Amp

EN55011cl.BEN55011cl.A1第一類環(huán)境C1類B類第一類環(huán)境C2類A1類第二類環(huán)境C3類A2類第二類環(huán)境C4類無IEC61800-3的限制等級為為C1、C2、C3、C4環(huán)境EN55011的限制等級為為B、A1、A2類及無IEC61800-3&EN55011電磁干擾（（EMC）的國際標標準39丹佛斯的解解決方案全系列內(nèi)置置電磁干擾擾（EMC）濾波器簡易的電磁磁兼容性安安裝無需使用外外接元件：：降低設(shè)備備及安裝成成本滿足各種應應用場合的的不同要求求H1-滿足IEC61800-3C1，C2要求H2-滿足IEC61800-3C3消除對現(xiàn)場場其他設(shè)備備的干擾40變頻器輸出出端將產(chǎn)生生du/dt共模電壓IGBT開關(guān)共模電壓雙脈沖振鈴電機絕緣壓力高頻CM噪音電流泄漏軸承電流3、變頻器輸出出端副作用用41變頻器輸出出電機絕緣與與變頻器輸輸出的匹配配是影響電電機性能的的重要因素素之一變頻器（PWM）輸出電壓壓、電流與與主電源（（標準正弦弦波）不同同42電機側(cè)電壓壓高速IGBT產(chǎn)生的每個個PWM脈沖具有很很快的上升升時間（100-300ns）如此快的時時間將使沿沿電機導線線傳輸?shù)牟úㄐ萎a(chǎn)生改改變，可能能帶來尖峰峰電壓電機側(cè)獲得得的脈沖波波形將與變變頻器輸出出有所不同同電機端電壓

43電機電纜的的傳導基于快速升升高的波形形，有必要要將傳輸電電纜看做傳傳輸線路該傳輸線路路可分解為為多組電抗抗/電感部分，，如上圖所所示脈沖信號沿沿著電纜從從變頻器發(fā)發(fā)出向電機機運行當脈沖信號號到達電機機時會發(fā)生生反射，因因為電機的的高頻阻抗抗比電纜上上的高的多多44變頻器輸出出端vs.電機輸入端端因為電纜中中存在高頻頻損耗，電電壓上升時時間會增加加，同時，，電壓波形形來回振蕩蕩由于高頻損損耗，電壓壓峰值振蕩蕩超過一個個脈沖周期期，逐步衰衰減，穩(wěn)定定在直流母母線電壓如果脈沖非非常接近（（高開關(guān)頻頻率或電纜纜電感增加加），則會會發(fā)生雙脈脈沖現(xiàn)象如先前開關(guān)關(guān)產(chǎn)生的振振蕩未結(jié)束束前下一個個開關(guān)出現(xiàn)現(xiàn)，高峰值值電壓就會會出現(xiàn)，這種現(xiàn)象稱稱為“雙脈脈沖”另一種引起起高峰值電電壓現(xiàn)象是是因為開關(guān)關(guān)極性相反反，通常出出現(xiàn)在非連連續(xù)脈沖列列中45電機電纜長長度的波形形影響電機端可能能產(chǎn)生2倍于主電源源峰值的尖尖峰電壓越短電纜，，帶來越小小的尖峰電電壓值上升時間延延長，同等等電纜長度度時可降低低電機端尖尖峰電壓基于供電電電源460VAC的測試：*無過壓*部分過壓*幾乎100%過壓[調(diào)節(jié)視圖比比例后圖形形]46du/dt值隨電纜長長度減少而而減少，而而電壓峰值值則會隨之之增加電壓峰值（（Upeak）取決于變變頻器直流流母線電壓壓。而直流母線線電壓在例例如電機剎剎車時產(chǎn)生生的峰值電電壓，可能能會超過IEC60034-17的限制值以上du/dt值（上升時時間和電壓壓峰值）是是在400V，37KW感應電機上上使用30m，50m，以及150m電纜測得電機電纜長長度的影響響47外加電壓高高于絕緣系系統(tǒng)的實際際擊穿電壓壓在真空或諧諧振空腔內(nèi)內(nèi)產(chǎn)生的現(xiàn)現(xiàn)場電場強強度足以高高于空氣中中的擊穿強強度（局部部放電初始始電壓）影響當局部放電電不斷產(chǎn)生生時，會導導致電機絕絕緣系統(tǒng)的的損壞，提提前老化在放電點處處的絕緣材材料變薄，，直到擊穿穿發(fā)生絕緣破壞48若過電壓嚴嚴重，則會會最終導致致電機絕緣緣系統(tǒng)失效效以下因素通通常與絕緣緣失效相關(guān)關(guān)：-老電機絕緣緣系統(tǒng)差（（改造）-頻繁使用再再生制動的的場合，使使得直流流母線的電電壓升高-惡劣環(huán)境（（溫度，濕濕度，化學學氣體）電機絕緣擊擊穿49關(guān)于限制電電機絕緣壓壓力的要求求有以下幾幾方面國際標準IEC60034-17IEC60034-25國家標準及及規(guī)范例如美國的的NEMAMG-1特殊行業(yè)要要求例如德國化化工行業(yè)要要求的NAMUR限制峰值電電壓Upeak和du/dt的要求50du/dt濾波器正弦波濾波波器其它選擇輸出電抗器器電機終端單單元如何降低峰峰值電壓Upeak和du/dt51使用du/dt濾波器后，，電機端的的相間電壓壓仍然是脈脈沖形，但但是能量上上升時間會會減少，這這樣可以緩緩解電機繞繞組上絕緣緣的壓力。。與正弦波濾濾波器相比比，du/d