变频器干扰分析及治理_Fan2012天津.ppt

变频器干扰分析及治理,丹佛斯：xxx,丹佛斯：范逸忻,2,范逸忻丹佛斯电力电子部（PE）技术部资深专家电话：021-6151326813901665809邮箱：yxfan,3,变频器干扰分类,1、变频器电源输入侧会产生高次谐波电气设备故障设备误操作或跳闸电缆或变压器过载,2、变频器会产生电磁干扰（EMI）可分为传导干扰和辐射干扰设备受到干扰，甚至不能工作，如计算机、收音机、电视机等符合相关规章或标准的产品可称为具有电磁兼容性EMCRFI滤波器,3、变频器输出端滤波器（du/dt及正弦波滤波器）电机绝缘电压、EMC电机运行噪音、电流泄露,4,变频器原理图,变频器基本组成部分：整流器、中间电路、逆变器以及控制回路,5,变频器主回路图,6,1、什么是谐波,电源波形,实际供电过程中，电网会连接许多非线性负载。造成了电流和电压信号的畸变.,在供电电网中，理想的交流电信号是：频率为50/60Hz(如我国是50Hz，美国是60Hz)，电压或电流为正负等值按比例交替的正弦波信号。,7,何谓谐波,在一个周期性信号中，未受干扰的理想信号称为”基波”“谐波”是指一个周期性信号的组成部分，它特点如下：它本身是一个周期性的信号它的的频率是基波频率的整数倍即可用基波分量的整数倍周期正弦函数之和表示的周期信号称为谐波电网中:n次谐波的频率是:fn=n基波频率（50/60Hz）,1次谐波2次谐波3次谐波4次谐波f1=50Hzf2=100Hzf3=150Hzf4=200Hzf1=60Hzf2=120Hzf3=180Hzf4=240Hz,8,标准六脉冲整流桥变频器为例非线性负载引起的电网侧电压、电流的畸变,变频器整流桥的谐波电流,9,在电网上产生非正弦波电流使电电网电压产生相应的有规律脉动,变频器整流单元的整流过程,Vab,Vac,Vbc,VDC,10,整流单元的谐波分析,谐波的分解,11,谐波电流分析-基波电流38.57A总谐波畸变THiD104.52%有效电流RMS55.79A(45%)5次谐波电流30.41A7次谐波电流23.64A11次谐波电流10.01A13次谐波电流5.07A-,谐波的分解,整流单元的谐波分析,12,谐波电流分析-基波电流38.57A总谐波畸变THiD104.52%有效电流RMS55.79A(45%)5次谐波电流30.41A7次谐波电流23.64A11次谐波电流10.01A13次谐波电流5.07A-,谐波的分解,整流单元的谐波分析,13,时域图：直观的表达信号的周期和副值,时域图,频域图,傅立叶变换,频域图：分别表达出信号中基波及各次谐波的副值,谐波的表达,14,谐波失真率,总谐波电流失真率THiD,总谐波电压失真率THvD,THiD=,THvD=,15,总谐波电流畸变THiD“基波电流”是指由基波提供的电流I(h1)(例如:f1=100A)“总谐波电流畸变”是指所有谐波电流对基波电流比值的均方根值.,谐波的表达,16,谐波的表达,17,电压畸变导致电气设备的故障和损坏增加电磁干扰(EMI)增加电机损耗导致电机转矩波动导致设备误动作,*谐波导致供电电网的电流和电压畸变,电流畸变变压器过载和噪音增加继电器和断路器误动作功率因数补偿电容损坏相关电气设备老化电缆过热和绝缘等级降低变压器过热和绝缘等级降低,谐波的危害,电流畸变影响负载级性能I*Z=V电压畸变影响系统级性能非线性负载的谐波电流以及系统短路阻抗是计算电压畸变必需的。仅仅知道负载性能是不能够预报电压畸变的。背景电压畸变也和系统级性能相关。和二级变压器电压畸变一样。背景畸变可能是其它远处的能量消费者引起的，经常有一点(0.5-3%).,电流和电压畸变,19,标准与推荐标准,*Recommendations,最大电压失真值:,IEEE519-1992:,PCC1.中间电压变压器的初级.这一级的电源质量主要由供电局负责，可以要求他们提供好的谐波性能的电源。IEEE519-1992是例子.PCC2.电源质量和电网的实际布局规划相关.如果THvD过高,电网同一侧的其它用户会受到干扰。这和供电局没什么关系!如果THID过高,则需要更大的变压器，更粗的电缆，等等。PCC3.仅和运行设备有关!无相关性.仅需要检查某个THvD值是否符合设备的运行条件。,公共耦合点定义为一个用户与其他用户在公共供电网络上的连接点。,20,标准/推荐,产品级EN61800-3变频器EN61000-3-2=16AEN61000-3-1216to75AEN61000-3-416A(典型的测试：THiD40th,2.5分钟测试周期,Rsce相关),EN61000-3-12:简单连接(不连接供电局),EN61000-3-12:平衡三相设备5th认证:CE,UL,cUL,额定:10A-480A(400V)并联可实现更大功率(最大3个单元)选件:NEMA1(端子盖)以及IP21套件,丹佛斯无源滤波器,27,丹佛斯有源滤波器,28,丹佛斯低谐波变频器,集成有源滤波器的变频器，为要求低谐波的应用提供一体化的解决方案产品系列：FC102，FC202，FC302功率范围：132-1000kW电压：380-690V防护等级：IP21，IP54,LHD,29,2、什么是电磁干扰（EMC）,电磁干扰(ElectromagneticInterference)，简称EMI，有传导干扰和辐射干扰两种传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰，传导干扰一般是通过电压或电流的形式在电路中进行，频率范围为150kHz-30MHz传播辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备，频率范围为30MHz-1GHz为了防止一些电子产品产生的电磁干扰影响或破坏其它电子设备的正常工作，各国政府或一些国际组织都相继提出或制定了一些对电子产品产生电磁干扰有关规章或标准，符合这些规章或标准的产品就可称为具有电磁兼容性EMC(ElectromagneticCompatibility),30,Radiatednoiseifunscreened,变频器可看成一个“高频干扰源”变频器将干扰信号通过电机电缆传播出去屏蔽电缆电缆将阻止并“捕获”这些干扰从电机电缆到接地的杂散电容和电机电缆到屏蔽层的杂散电容、以及从电机绕组到电机机壳的杂散电容，所有这些都提供了高频干扰的低阻通道,电磁干扰（EMI）,31,Radiatednoiseifunscreened,变频器可看成一个“高频干扰源”变频器将干扰信号通过电机电缆传播出去屏蔽电缆电缆将阻止并“捕获”这些干扰从电机电缆到接地的杂散电容和电机电缆到屏蔽层的杂散电容、以及从电机绕组到电机机壳的杂散电容，所有这些都提供了高频干扰的低阻通道这些干扰“总想寻找通道回到它的发源地”(即形成回路回到变频器),电磁干扰（EMI）,32,Radiatednoiseifunscreened,电磁干扰（EMI）,变频器可看成一个“高频干扰源”变频器将干扰信号通过电机电缆传播出去屏蔽电缆电缆将阻止并“捕获”这些干扰从电机电缆到接地的杂散电容和电机电缆到屏蔽层的杂散电容、以及从电机绕组到电机机壳的杂散电容，所有这些都提供了高频干扰的低阻通道这些干扰“总想寻找通道回到它的发源地”(即形成回路回到变频器)必须为这些干扰建立一个闭合的低阻通道以避免其通过地线或进线侧返回,33,电磁干扰（EMC）,Radiatednoiseifunscreened,如何治理？,34,电磁干扰（EMC）,如何治理？安装屏蔽电机电缆,35,电磁干扰（EMC）,如何治理？安装屏蔽电机电缆屏蔽电缆必须在两端都做接地（变频器和电机侧）避免猪尾巴式接线使用专用屏蔽线缆夹如果屏蔽线必须断开，则应参照示例方法处理电源进线与电机电缆分隔（推荐300mm）,36,Danfoss,错误!猪尾巴式接线,屏蔽电缆,示例:电机隔离器,电磁干扰（EMC）,37,Danfoss,IScreen,IScreen,IScreen,IScreen,屏蔽电缆,示例：电机隔离器,良好的外壳接地,线夹,电磁干扰（EMC）,38,电磁干扰（EMI）的危害,传导干扰进入电源或来自变频器和电机电缆的辐射干扰可能引起：其它控制系统和计算机不能正常工作收音机，电视机及监视设备严重受到干扰电子设备因其电源过载而停止工作高灵敏测量及监视设备将停止工作,39,IEC61800-3的限制等级为C1、C2、C3、C4环境EN55011的限制等级为B、A1、A2类及无,IEC61800-3&EN55011,电磁干扰（EMC）的国际标准,40,丹佛斯的解决方案,全系列内置电磁干扰（EMC）滤波器简易的电磁兼容性安装无需使用外接元件：降低设备及安装成本满足各种应用场合的不同要求H1-满足IEC61800-3C1，C2要求H2-满足IEC61800-3C3消除对现场其他设备的干扰,41,变频器输出端将产生du/dt共模电压,3、变频器输出端副作用,42,变频器输出,电机绝缘与变频器输出的匹配是影响电机性能的重要因素之一变频器（PWM）输出电压、电流与主电源（标准正弦波）不同,43,电机侧电压,高速IGBT产生的每个PWM脉冲具有很快的上升时间（100-300ns）如此快的时间将使沿电机导线传输的波形产生改变，可能带来尖峰电压电机侧获得的脉冲波形将与变频器输出有所不同,44,电机电缆的传导,基于快速升高的波形，有必要将传输电缆看做传输线路该传输线路可分解为多组电抗/电感部分，如上图所示脉冲信号沿着电缆从变频器发出向电机运行当脉冲信号到达电机时会发生反射，因为电机的高频阻抗比电缆上的高的多,45,变频器输出端vs.电机输入端,因为电缆中存在高频损耗，电压上升时间会增加，同时，电压波形来回振荡由于高频损耗，电压峰值振荡超过一个脉冲周期，逐步衰减，稳定在直流母线电压如果脉冲非常接近（高开关频率或电缆电感增加），则会发生双脉冲现象如先前开关产生的振荡未结束前下一个开关出现，高峰值电压就会出现，这种现象称为“双脉冲”另一种引起高峰值电压现象是因为开关极性相反，通常出现在非连续脉冲列中,46,电机电缆长度的波形影响,电机端可能产生2倍于主电源峰值的尖峰电压越短电缆，带来越小的尖峰电压值上升时间延长，同等电缆长度时可降低电机端尖峰电压,基于供电电源460VAC的测试：,*无过压,*部分过压,*几乎100%过压调节视图比例后图形,47,du/dt值随电缆长度减少而减少，而电压峰值则会随之增加电压峰值（Upeak）取决于变频器直流母线电压。而直流母线电压在例如电机刹车时产生的峰值电压，可能会超过IEC60034-17的限制值,以上du/dt值（上升时间和电压峰值）是在400V，37KW感应电机上使用30m，50m，以及150m电缆测得,电机电缆长度的影响,48,外加电压高于绝缘系统的实际击穿电压在真空或谐振空腔内产生的现场电场强度足以高于空气中的击穿强度（局部放电初始电压）影响当局部放电不断产生时，会导致电机绝缘系统的损坏，提前老化在放电点处的绝缘材料变薄，直到击穿发生,绝缘破坏,49,若过电压严重，则会最终导致电机绝缘系统失效以下因素通常与绝缘失效相关：-老电机绝缘系统差（改造）-频繁使用再生制动的场合，使得直流母线的电压升高-恶劣环境（温度，湿度，化学气体）,电机绝缘击穿,50,关于限制电机绝缘压力的要求有以下几方面国际标准IEC60034-17IEC60034-25国家标准及规范例如美国的NEMAMG-1特殊行业要求例如德国化工行业要求的NAMUR,限制峰值电压Upeak和du/dt的要求,51,du/dt滤波器正弦波滤波器其它选择输出电抗器电机终端单元,如何降低峰值电压Upeak和du/dt,52,使用du/dt滤波器后，电机端的相间电压仍然是脉冲形，但是能量上升时间会减少，这样可以缓解电机绕组上绝缘的压力。与正弦波滤波器相比，du/dt滤波器有一个高于开关频率的截止频率，从而具有较小的电感（L）和电容（C）值，因此在价格上比正弦滤波器更低。,du/dt滤波器,53,使用du/dt滤波器的电压波形变化,使用前使用后,54,使用du/dt滤波器的电流波形变化,使用前使用后,55,功率范围：0.75KW-1.2MW主电压：T2（至45KW）T4（至1.2MW）防护等级：IP00和IP20/23最高温度：45压降：4.5A-480A=3.3V(T5)4.5A-480A=5.5V(T7),丹佛斯du/dt滤波器,56,正弦滤波器可以使变频器输出端的相间电压波形平滑，使之呈正弦波形。截止频率比开关频率低可减少电机的绝缘压力和噪声通过消除高频振铃来减少电机电缆的电磁辐射减少来自电机非屏蔽电缆的电磁干扰,正弦波滤波器,57,用于必须消除电机产生的音频噪声的场合适用于绝缘保护较差的老电机改造适用于频繁制动电机安装在恶劣环境下或在高温环境下运行适用于电机电缆大于150m小于300m的场合，若电缆长度大于300m，则需视具体情况而定适用于电机保养周期需要增加的情况,相关声压测试（使用正弦滤波器前后）,正弦波滤波器,58,