矿用变频器的谐破干扰及防治对策

1、矿用变频器的谐破干扰及防治对策李桂兰，王任远，沈占彬(平顶山工业职业技术学院, 河南 平顶山 467001 )摘要：矿用变频器的应用日趋普及，并具有很多优越性，但对电网的谐波干扰和电磁辐射干扰也越来越受到人们的关注。文章阐述谐波的概念、产生原因及危害，并对目前解决谐波问题的措施作了较全面的分析，提出了有效的解决方案。在实际工作中对防治变频器的干扰有较强的借鉴意义。关键词：变频器；谐波；干扰；对策Harmonic Interference of Frequency Transformer in Mine and Corresponding MeasuresLI Gui-lan,WANG Ren-

2、yuan,SHEN Zhan-bin(Pingdingshan Industrial Collage of Technology，Pingdingshan ，henan，467001)Abstract: Frequency transformers are used prevalently in mine. But their harmonic and electromagnetic interferences are equally considered. The article expounds the concept of harmonic frequency, causes as we

3、ll as the effects, after analyzing the measures taken against them, it offers effective methods of resolution which will give useful reference to the practices. Key words: frequency transformer；harmonic frequentcy；interference；measurees0 引言工业变频器经过几十年的发展，目前已处于普及和应用阶段。在煤矿企业，近几年变频器的应用突飞猛进，大型的皮带运输和斜巷绞车的

4、应用已很普遍。变频器的大规模应用，使得电网污染问题日益突显，尤其在变频器集中应用的场合，如何解决干扰问题几乎成了自动化系统能否正常工作的决定因素，同时对保证矿井供电和各种保护的正常运行都具有重要的意义。1 变频器谐波的产生和危害1.1变频器谐波的产生从结构上来看，变频器有间接变频器和直接变频器之分。间接变频器将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流。而直接变频器是将工频电流直接变换成可控频率的交流，没有中间的直流环节。目前应用较多的是间接变频器。间接变频器有三种不同的结构方式：（1）用可控整流器变压，用逆变器变频，调压和调频分别是在两个环节上进行，两者要在控制电

5、路上协调配合；（2）用不控整流器整流斩波器变压，用逆变器变频，这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽调压；（3）用不控整流器整流，用PWM逆变器变频，这种变频器只有采用可控关断的全控式器件（如IGBT等），输出波形才会非常逼近正弦波1。无论哪一种变频器，都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，不管采用哪种整流方式，变频器从电网中吸取能量的方式都不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，经傅里叶级数分析可知，这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。谐波产生的根本原因是由于非线性

6、负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量2。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。1.2 谐波的危害变频器对容量相对较大的电力系统影响不很明显，而对容量小的系统，谐波产生的干扰就不可忽视，对公用电网是一种污染。（1）谐波对供电线路产生了附加损耗。当大量的三次谐波流过中性线时，会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏

7、。（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。对如发电机的旋转电机产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声；对断路器，延长故障电流的切除时间。（3）谐波使电网中的电容器产生谐振。谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备被烧毁。（4）谐波引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，加重危害，甚至引起严重的责任事故。（5）谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差。2 谐波的防治措施一是装置谐波补偿装置来补偿谐波；二是对电力系统装置本身进行改造，使其不产生谐波；三是在电网系统中采用适当的措施来抑制谐波。具体方法有以下几种：（1）采用适当的电抗器。变频器的输入侧功率因数取决于

8、装置内部的AC/DC变换电路系统，可利用并联功率因数矫正DC电抗器，电源侧串联AC电抗器的方法，使进线电流的THDV大约降低30%50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。（2）装设有源电力滤波器。当前抑制谐波的一个重要趋势是采用有源电力滤波器，它串联或是并联于主电路中，实时从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波电流3。（3）采用多相脉冲整流。在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下，可采用多相整流的方法。12相脉冲整流的THDV大约为10%15%，18相的为3%8%，完全满足国际标准的要求。其缺点是需要专用变压器，不利于

9、设备的改造，成本费用较高。（4）使用滤波模块组件。目前市场上有很多专门用于抗传导干扰的滤波模块或组件，这些滤波模块具有较强的抗干扰能力，同时还具有防用电器本身的干扰传导给电源。（5）开发新型的变流器。大容量的变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术。几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用PWM逆变器可构成四象限交流调速变频器，这种变频器不但输出电压、电流为正弦波，而且输入电流也为正弦波，且功率因数为1，还可以实现能量的双向传递，代表了这一技术的发展方向。3 削弱变频器谐波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

10、高其它设备对变频器谐波和电磁辐射的免疫能力，尤其是在变频器干扰较严重的场合中常用的方法通常有以下几种。 3.1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。3.2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。3.3选用具有开关电源的仪表等低压

11、设备一般开关电源的抗电源传导干扰的能力都比较强，因此在选用控制系统的电源设备，或者选用控制用电器的时候，尽量采用具有开关电源类型的设备。 3.4信号线的抗干扰对于信号线上的干扰主要是来自空间的电磁辐射，有常态干扰和共模干扰两种。常态干扰的抑制常态干扰是指叠加在测量信号线上的干扰信号，这种干扰大多是频率较高的交变信号，其来源一般是耦合干扰3。抑制常态干扰的方法有:(1)在输入回路接RC滤波器或双T滤波器;(2)尽量采用双积分式A/D转换器，由于这种积分器工作的特点，具有一定的消除高频干扰的作用;(3)将电压信号转换成电流信号再传输的方式，对于常态的干扰有非常强的抑制作用。 共模干扰的抑制共模干扰

12、是指信号线上共有的干扰信号，一般是由于被测信号的接地端与控制系统的接地端存在一定的电位差所致，这种干扰在两条信号线上的周期、幅值基本相等，所以采用上面的方法无法消除或抑制。对共模干扰的抑制方法如下:(1)采用双差分输入的差动放大器，这种放大器具有很高的共模抑制比。(2)把输入线绞合，绞合的双绞线能降低共模干扰，由于改变了导线电磁感应的方向，从而使其感应互相抵消。(3)采用光电隔离的方法，可以消除共模干扰。(4)使用屏蔽线时，屏蔽层只一端接地。因为若两端接地，由于接地电位差在屏蔽层内会流过电流而产生干扰，因此只要一端接地即可防止干扰。 应注意的事项无论是为了抑制常态干扰还是抑制共模干扰，还应该做

13、到以下几点:(1)输入线路要尽量短。(2)配线时避免和动力线接近，信号线与动力线分开配线，把信号线放在有屏蔽的金属管内，或者动力线和信号线分开距离要在40cm以上。(3)为了避免信号失真，对于较长距离传输的信号要注意阻抗匹配。 3.5 增加软件滤波在使用以单片机、DSP等为核心的控制系统中，编制软件的时候，可以适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增强系统自身的抗干扰能力4。 4 结论综上所述，可以清楚地了解谐波产生的原因，在具体治理上可采用无源滤波器、有源滤波器，减少回路阻抗，切断谐波传输路径及开发使用无谐波污染的绿色变频器等方法，将变频器产生的谐波控制在最小范围内，达到科学用电，抑制电网污染，提高电源质量。参考文