变频器的谐波干扰与抑制及参数设定

变频器的谐波干扰与抑制变频器中要进行大功率二极管整流、大功率晶体管逆变，结果是在输入输出回路产生电流高次谐波，干扰供电系统、负载及其他邻近电气设备。在实际使用过程中，经常遇到变频器谐波干扰问题，下面简单介绍谐波产生的机理、传播途径及有效抑制干扰的方法。变频器谐波产生机理变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2〜3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。抑制谐波干扰常用的方法谐波的传播途径是传导和辐射，解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离；解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。具体常用方法：（1）变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立，或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器，切断谐波电流。（2）在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器，或安装谐波滤波器，滤波器的组成必须是LC型，吸收谐波和增大电源或负载的阻抗，达到抑制谐波的目的。（3）电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆，并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设，避免辐射干扰。（4）信号线采用屏蔽线，且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离（至少20cm以上），切断辐射干扰。（5）变频器使用专用接地线，且用粗短线接地，邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开，使用短线。这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。抑制谐波干扰实例例1，某变频切换控制系统，变频器启动运行正常，而邻近液位计读数偏高，一次表输入4mA时，液位显示不是下限值；液位未到设定上限值时，液位计却显示上限，致使变频器接收停机指令，迫使变频器停止运行。这显然是变频器的高次谐波干扰液位计，干扰传播途径是液位计的电源回路或信号线。解决办法：将液位计的供电电源取自另一供电变压器，谐波干扰减弱，再将信号线穿入钢管敷设，并与变频器主回路线隔开一定距离，经这样处理后，谐波干扰基本抑制，液位计工作恢复正常。例2,某变频控制液位显示系统，液位计与变频器在同一个柜体安装，变频器工作正常，而液位计显示不准且不稳，起初我们怀凝一次表、二次表、信号线及流体介质有问题，更换所有这些仪表、信号电缆，并改善流体特性，故障依然存在，而这故障就是变频器的高次谐波电流通过输出回路电缆向外辐射，传递到信号电缆，引起干扰。解决办法：液位计信号线及其控制线与变频器的控制线及主回路线分开一定距离，且柜体外信号线穿入钢管敷设，外壳良好接地，故障排除。例3,某变频控制系统，由两台变频器组成，且在同一柜体内，变频器调频方式均为电位器手调方式，运行某一台变频器时，工作正常，两台同时运行时，频率互相干扰，即调节一台变频器的电位器对另一台变频器的频率有影响，反过来也一样。开始我们认为是电位器及控制线故障，排除这种可能后，断定是谐波干扰引起。解决办法：把其中一只电位器移到其他柜体固定，且引线用屏蔽信号线，结果干扰减弱。为了彻底抑制干扰，重新加工一个电控柜，并与原柜体一定距离放置，把其中的一台变频器移到该电控柜，相应的接线及引线作必要的改动，这样处理后，干扰基本消除，故障排除。例4,某变频控制系统，切换两套机泵，原先机泵是*自耦降压启动工频运行正常，现改为变频运行，虽能实现调频减速功能，但变频器输出端到电动机间的输出线严重发热，电动机外壳温升加重，经常出现保护跳闸。这是由于变频器输出电压和电流信号中包含PWM高次谐波，而谐波电流在输出导线和电动机绕线上形成附加功率损耗。解决办法：把变频器输入线与输出线分开，分别走各自的电缆沟，选用大一号截面的电缆换原先电缆，输出端与电动机之间的电缆长度尽可能短。这样处理后，发热故障排除。对现场出现的各种变频器高次谐波干扰，基本上都能照以上介绍的方法顺利抑制，但对谐波成分及幅度要求很严的设备，彻底抑制高次谐波干扰非常困难，有待进一步攻关解决变频器基频设置参数的概念摘自永宏PLC-FATEK-李清流技术主页lty2006-04-2113:24/bbs/ccb/index.cgi一、 基频参数的概念变频器基频参数的示意图如图：基频以下，变频器的输出电压随输出频率的变化而变化，V/F=^数，适合恒转矩负载特性。基频以上，变频器的输出电压维持电源额定电压不变，适合恒功率负载特性。二、 如何设置基频基频参数设置应该以电动机的额定参数设置，而不能根据负载特性设置，即使电动机选型不适合负载特性，以必须尽量遵循电动机的参数，否则，容易过流或过载。例如：如果电机的额定工作频率为50HZ，基频应设置为50HZ；如果电机的额定工作频率为60HZ，基频应设置为60HZ；如果电机的额定工作频率为100HZ，基频应设置为100HZ。如果电动机选择专用的交流变频电机，电机一般都标注恒转矩、恒功率调速范围。如果标注5〜100HZ为恒转矩，100〜150HZ为恒功率，基频应该设置为100HZ。二、基频设置的注意点基频参数直接反映变频器输出电压和输出频率的关系，如果设置不当容易造成电动机的过流或过载。如图2所示，一台交流电动机的额定工作频率为50HZ，额定电压380V。如果变频器的基频设置低于50HZ（如基频1），V/F比例高，同等频率的输出电压高，输出电流高，在启动时，容易造成过流。如果变频器的基频设置高于50HZ（如基频2），V/F比例低，同等频率的输出电压低，输出电流低，在启动时，容易造成无法启动而过载。常用变频器在使用中，是否能满足传动系统的要求，变频器的参数设置非常重要，如果参数设置不正确，会导致变频器不能正常工作。参数设置常用变频器，一般出厂时，厂家对每一个参数都有一个默认值，这些参数叫工厂值。在这些参数值的情况下，用户能以面板操作方式正常运行的，但以面板操作并不满足大多数传动系统的要求。所以，用户在正确使用变频器之前，要对变频器参数时从以下几个方面进行：（1） 确认电机参数，变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。（2） 变频器采取的控制方式，即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。（3） 设定变频器的启动方式，一般变频器在出厂时设定从面板启动，用户可以根据实际情况选择启动方式，可以用面板、外部端子、通讯方式等几种。（4） 给定信号的选择，一般变频器的频率给定也可以有多种方式，面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通讯方式给定，当然对于变频器的频率给定也可以是这几种方式的一种或几种方式之和。正确设置以上参数之后，变频器基本上能正常工作，如要获得更好的控制效果则只能根据实际情况修改相关参数。变频器参数设置变频器的设定参数较多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象，因此，必须对相关的参数进行正确的设定。1、 控制方式：即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度进行静态或动态辨识。2、 最低运行频率：即电机运行的最小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。3、 最高运行频率：一般的变频器最大频率到60Hz,有的甚至到400Hz,高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的超额定转速运行，电机的转子是否能承受这样的离心、力。4、 裁波频率：载波频率设置的越高其高次谐波分量越大，这和电缆的长度，电机发热，电缆发热变频器发热等因素是密切相关的。5、 电机参数：变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。6、 跳频：在某个频率点上，有可能会发生共振现象，特别在整个装置比较高时；在控制压缩机时，要避免压缩机的喘振点。变频器参数设置（二）变频器功能参数很多，一般都有数十甚至上百个参数供用户选择。实际应用中，没必要对每一参数都进行设置和调试，多数只要采用出厂设定值即可。一、 加减速时间加速时间就是输出频率从0上升到最大频率所需时间，减速时间是指从最大频率下降到0所需时间。通常用频率设定信号上升、下降来确定加减速时间。在电动机加速时须限制频率设定的上升率以防止过电流，减速时则限制下降率以防止过电压。加速时间设定要求：将加速电流限制在变频器过电流容量以下，不使过流失速而引起变频器跳闸；减速时间设定要点是：防止平滑电路电压过大，不使再生过压失速而使变频器跳闸。加减速时间可根据负载计算出来，但在调试中常采取按负载和经验先设定较长加减速时间，通过起、停电动机观察有无过电流、过电压报警；然后将加减速设定时间逐渐缩短，以运转中不发生报警为原则，重复操作几次，便可确定出最佳加减速时间。二、 转矩提升又叫转矩补偿，是为补偿因电动机定子绕组电阻所引起的低速时转矩降低，而把低频率范围f/V增大的方法。设定为自动时，可使加速时的电压自动提升以补偿起动转矩，使电动机加速顺利进行。如采用手动补偿时，根据负载特性，尤其是负载的起动特性，通过试验可选出较佳曲线。对于变转矩负载，如选择不当会出现低速时的输出电压过高，而浪费电能的现象，甚至还会出现电动机带负载起动时电流大，而转速上不去的现象。三、 电子热过载保护本功能为保护电动机过热而设置，它是变频器内CPU根据运转电流值和频率计算出电动机的温升，从而进行过热保护。本功能只适用于“一拖一”场合，而在“一拖多”时，则应在各台电动机上加装热继电器。电子热保护设定值(%)=[电动机额定电流(A)/变频器额定输出电流(A)]X100%。四、 频率限制即变频器输出频率的上、下限幅值。频率限制是为防止误操作或外接频率设定信号源出故障，而引起输出频率的过高或过低，以防损坏设备的一种保护功能。在应用中按实际情况设定即可。此功能还可作限速使用，如有的皮带输送机，由于输送物料不太多，为减少机械和皮带的磨损，可采用变频器驱动，并将变频器上限频率设定为某一频率值，这样就可使皮带输送机运行在一个固定、较低的工作速度上。* 五、偏置频率有的又叫偏差频率或频率偏差设定。其用途是当频率由外部模拟信号（电压或电流）进行设定时，可用此功能调整频率设定信号最低时输出频率的高低，如图1。有的变频器当频率设定信号为0%时，偏差值可作用在0〜fmax范围内，有的变频器（如明电舍、三垦）还可对偏置极性进行设定。如在调试中当频率设定信号为0%时，变频器输出频率不为0Hz，而为xHz，则此时将偏置频率设定为负的xHz即可使变频器输出频率为0Hz。六、 频率设定信号增益此功能仅在用外部模拟信号设定频率时才有效。它是用来弥补外部设定信号电压与变频器内电压（+10v）的不一致问题；同时方便模拟设定信号电压的选择，设定时，当模拟输入信号为最大时（如10v、5v或20mA），求出可输出f/V图形的频率百分数并以此为参数进行设定即可；如外部设定信号为0〜5v时，若变频器输出频率为0〜50Hz，则将增益信号设定为200%即可。七、 转矩限制可分为驱动转矩限制和制动转矩限制两种。它是根据变频器输出电压和电流值，经CPU进行转矩计算，其可对加减速和恒速运行时的冲击负载恢复特性有显著改善。转矩限制功能可实现自动加速和减速控制。假设加减速时间小于负载惯量时间时，也能保证电动机按照转矩设定值自动加速和减速。驱动转矩功能提供了强大的起动转矩，在稳态运转时，转矩功能将控制电动机转差，而将电动机转矩限制在最大设定值内，当负载转矩突然增大时，甚至在加速时间设定过短时，也不会引起变频器跳闸。在加速时间设定过短时，电动机转矩也不会超过最大设定值。驱动转矩大对起动有利，以设置为80~100%较妥。制动转矩设定数值越小，其制动力越大，适合急加减速的场合，如制动转矩设定数值设置过大会出现过压报警现象。如制动转矩设定为0%，可使加到主电容器的再生总量接近于0,从而使电动机在减速时，不使用制动电阻也能减速至停转而不会跳闸。但在有的负载上，如制动转矩设定为0%时，减速时会出现短暂空转现象，造成变频器反复起动，电流大幅度波动，严重时会使变频器跳闸，应引起注意。八、 加减速模式选择又叫加减速曲线选择。一般变频器有线性、非线性和S三种曲线，通常大多选择线性曲线；非线性曲线适用于变转矩负载，如风机等；S曲线适用于恒转矩负载，其加减速变化较为缓慢。设定时可根据负载转矩特性，选择相应曲线，但也有例外，笔者在调试一台锅炉引风机的变频器时，先将加减速曲线选择非线性曲线，一起动运转变频器就跳闸，调整改变许多参数无效果，后改为S曲线后就正常了。究其原因是：起动前引风机由于烟道烟气流动而自行转动，且反转而成为负向负载，这样选取了S曲线，使刚起动时的频率上升速度较慢，从而避免了变频器跳闸的发生，当然这是针对没有起动直流制动功能的变频器所采用的方法。九、 转矩矢量控制矢量控制是基于理论上认为：异步电动机与直流电动机具有相同的转矩产生机