关键词：变频装置 谐波 隔离 屏蔽 滤波 接地
当前工矿企业及发电厂等大容量用户为了开展节能技术措施，需要大量应用高低压变频装置及直流SCR传动装置，功率达500～3000kVA，因此对电网产生大量谐波，并会干扰其他电气设备的正常工作，为减小谐波污染影响，本文提出以下措施减小谐波，同时加强设备电磁屏蔽、接地，使电气设备能够稳定运行。
--作者序
一 必须按国家规定的允许谐波标准采取抑制和消除谐波的措施
关于变频器产生的谐波电流对供电系统的影响，评价标准有IEEE 519-1992和国标GB/T14549-93。具体讲，对6～9kV以下供电电网而言，电压畸变限制条件为：单个电压谐波畸变率≤3%，电压总谐波畸变率THD≤5%。电流畸变的限制条件与供电点上电源短路电流Isc与最大基波负载电流IL之比Isc/IL有关，如表1所示。
点击看原图 变频器输出电压谐波对电机的影响，目前，国内尚无标准可循，可供参考的标准为美国标准NEMA MG1-1993《电动机和发电机》其中第30节的有关规定如下： (1)变频器输出电流总谐波畸变率≤1%额定电流； 
(2)对变频器输出的du/dt限制条件为：输出相电压从10%峰值上升到90%峰值的时间不得小于1μs。对2.3kV传动系统而言，应为du/dt≤1.50kV/us，对6kV传动系统而言应为du/dt≤3.92kV/us。
(3)对变频器输出的共模电压的限制条件为：基波相电压峰值和共模电压峰值之和不超过2.51倍额定相电压。对2.3kV传动系统，约为3.34kV；对6kV传动系统，约为8.7kV。
二 整流设备容量和系统短路容量的关系
电压畸变率与系统短路容量直接相关，当系统短路容量大，系统电抗小，系统电压畸变程度小。故大容量变流装置应根据系统指标适当增加输入阻抗(即增加进线电抗器)，如图1。
三 增加整流装置所等效相数
抑制谐波有效办法之一是增加整流所等效相数。它可完全或大部分地消除幅值较大的低次谐波。可得到整流所等效相数产生的谐波电流次数及其最大幅值(y=0时)之间的综合关系，如表2所示。除增加等效相数外，尚应尽量少用相控。
一般情况下，只要整流器有两台以上6相(6脉波)整流装置，毫无例外地都应采用等效12相系统。因为这种系统不需专门移相，而可借适当变换绕组的星形和三角形联结方式来达到。等效12相基本上消灭了幅值较大的5次和7次谐波。
另一方面，等效相数超过12时将增加设备投资和带来维修运行上的不便。此外从表2可以看出，当等效相数高于36相以后，谐波电流幅值降低的效果并不显著。
点击看原图 谐波电流幅值的大小，直接和整流装置容量成正比。故一般常随整流装置容量的增大而逐渐增加相数；这也符合当整流装置容量增大时，须将变压器绕组分成多组并联的要求。 关于整流所等效相数和容量的固定关系，世界各国标准也不一致。建议整流相数和容量的关系暂按表3。 四 抗电磁干扰的几点措施 1. 隔离 所谓干扰的隔离，使之从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。在变频调速传动系统中，通常是电源和放大器电路之间电源线上采用隔离变压器以免传导干扰，电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。 加大受扰电路、器件或装置与干扰源之间的距离，是降低干扰强度的一种行之有效的措施，因为干扰与距离的平方成反比，距离增加一倍干扰强度则降低四倍，因此需要做到： (1)使所有信号线很好地绝缘，使其不可能漏电，这样，防止由于接触引入的干扰。 (2)将不同种类的信号线隔离铺设(在不同一电缆槽中，或用隔板隔开)，可根据信号不同类型将其按抗噪声干扰的能力分成几等。 (3)模拟量信号(模入、模出，特别是低电平的模入信号(如热电偶信号、热电阻信号等)对高频脉冲信号的抗干扰能力是很差的。建议用屏蔽双绞线连接，且这些信号线须单独占用电线管或电缆槽．不可与其他信号在同一电缆管(或槽)中走线。 (4)低电平的开关信号(一些状态干结点信号)，数据通信线路(RS-232、485等)，对低频的脉冲信号的抗干扰能力比上种信号要强，但建议最好采用屏蔽双绞线(至少用双绞线)连接。此类信号也要单独走线，不可和动力线和大负载信号线在一起平行走线。 (5)高电平(或大电流)的开关量的输入输出、CATV、电话线，以及其他继电器输入输出信号。这类信号的抗干扰能力又强于以上两种，但这些信号会干扰别的信号。因此建议用双绞线连接，也单独走电缆管或电缆槽。 动力线AC220V、380V，以及大通断能力的断路器、开关信号线等，这些线的电缆选择主要不是依据抗干扰能力，而是由电流负载和耐
以上说明，同一类信号线可放在一条电缆管或槽中，相近种类信号线如果必须在同一电缆槽中走线。则一定要用金属隔板将它们隔开。
还有一种隔离是将信号源同变频器在电气上进行隔离，这样，会大大减小共模干扰对变频控制系统造成的危害。采用隔离放大器将信号的输入端子与变频器部分完全隔离(有的系统中采用隔离变压器，或继电器等方式隔离，对开关量则可采用光电器件或继电器进行隔离)。
2. 屏蔽
电子设备中某些元器件或电路中有电流流过时，其周围空间将建立磁场：同时，电路某一部分所存储的电荷，又在其周围建立磁场；电能与磁场的相互急转化将形成电磁干扰，这种电场与磁场，对设备本身来讲也产内生干扰，降低了设备的抗扰容限。严重时会使设备经常发生故障。又如电焊机进行焊接、高频加热炉投入运行时，以及大型用电设备的突然启停等都将对自动化装置产生干扰，这些属于外生干扰。为了将产生的电场或磁场限制在某一规定的空间范围内，或为了使设备或元器件不受外部电磁场的影响，常常采用隔离屏蔽措施，其方法是将有关电路、元器件、或设备安装在铜、铝等低电阻材料或是磁性材料制成的屏蔽物内，不使电场和磁场穿透这些屏
以上说的是电气屏蔽．但在很多场合，信号除受电噪声干扰外。还受到强交变磁场的影响，如电站、冶炼厂、重型机械厂等。除电气屏蔽外，还要考虑磁屏蔽，即考虑用铁、镍等导磁性能好的导体进行屏蔽。
用双绞线代替两根平行导线是抑制磁场干扰的有效办法。原理是每个小绞扭环中会通过交变的磁通。而这些变化磁通会在周围的导体中产生电动势，它由电磁通感应定律决定，相邻绞扭环中在同-导体上产生的电动势方向相反，相互抵消。这对电磁干扰起到较好的抑制作用。
屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏；输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短(一般为20m以内)。且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路的输入和输出线及控制线(AC220V)完全分离，绝不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩须可靠接地。
3. 滤波
当系统抗干扰能力要求较高时，为减少对电源的干扰，在电源输入端可加装电源滤波器。为抑制变频器输入侧的谐波电流，改善功率因素，可在变频器输入端加装交流电抗器，选用与否可视电源变压器与变频器容量的匹配情况及电网允许的畸变程度而定，一般情况下采用为好，为改善变频器输出电流，减少电机噪声，可在变频器输出端加装交流电抗器。在系统线路中设置滤波器是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电动机。为减少对电源干扰，可在变频器输入侧设置输出滤波器，或在变频器输入侧设置输入滤波器。若线路中有敏感电子设备，可在电源线上设置电源噪声滤波器以免传导干扰。
4. 接地
接地有两种：工作接地和保护接地。
(1)保护接地
它是将变频控制系统中平时不带电的金属部分(机柜外壳、操作台外壳等)与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。原因是变频控制系统的供电是强电供电，通常情况下机壳等是不带电的，当故障发生(如主机电源故障或其他故障)造成电源的供电相线与外壳等导电金属部件短路时，这些金属部件或外壳就形成了带电体，如果没有很好接地，那么这带电体和地之间就有很高的电位差。如果人不小心触到这些带电体，就会通过人身形成通路，产生危险。因此，必须将金属外壳和地之间作很好的连接，使机壳和地等电位。此外，保护接地还可以防止静电的积聚。
(2)工作接地
它是为使变频控制系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。它分机器逻辑地、信号回路接地、屏蔽接地，在石化和其他防爆系统中还有本安接地。
(a)屏蔽接地(模拟信号的屏蔽层的接地)。
(b)本安接地，是本安仪表或安全栅的接地。这种接地除抑制干扰外，还是使仪表和系统具有本质安全性质的措施之一。本安接地会因为采用的设备不同而不同，安全栅的作用是保护危险现场端永远处于安全电源和安全电压范围之内。如果现场端短路，则由于负载电阻和安全栅电阻R的限流作用，会将导线上的电流限制在安全范围内，使现场端不至于产生很高的温度、引起燃烧。第二种情况，如果变频器一段产生故障，则高压电信号加入了信号回路，则由于齐纳二级的嵌位作用，也使电压位于安全范围，值得提醒的是，由于齐纳安全栅的引入，使得信号回路上的电阻增大了许多，因此，在设计输出回路的负载能力时，除了要考虑真正的负载要求以外，还要充分考虑安全栅的电阻，留有余地。
除了上述几种接地外，在很多场合下容易引起混乱的有一个供电系统地，也叫交流电源工作地。
(3)供电系统地
在很多企业，特别是电厂、冶炼厂等，其厂
区内有一个很大的地线网，而通常供电系统的地是与地线网连在一起。有的厂家强调变频控制系统的所有接地必须和供电系统地以及其他(如避雷地)严格分开，而且之间至少应保持15m以上的距离。为彻底防止供电系统地的影响，建议供电线线路用隔离变压器隔开。这对那些电力负荷很重，而且负荷经常启停的单位应特别注意的，从抑制干扰角度来看，将电力系统地和变频器系统地并保证其与供电系统地隔开一定距离是很困难的，这时可以考虑能否将变频控制系统的地和供电地共用一个，这要考虑几个因素：(a)供电系统地上是否干扰很大，如大电流设备启停是否频繁，对地产生的干扰是否大。
(b)供电系统地的接地电阻是否足够小，而且整个地网各个部分的电位差是否很小，即地网的各部分之间是否阻值很小。
(c)变频控制系统的抗干扰能力以及所用到的传输信号的抗干扰能力。例如有无小信号(热电偶、热电阻)的直接传输等。
所有变频控制系统接线涉及到的接地采用一点接地方式，在这一点上，也有很多争议。有的厂家提出几个地：逻辑地、屏蔽地(又叫模拟地)、信号地、保护地分别各自接地，而大部分系统则指出各种地在机柜内部自己分别接地，汇于一点，
(4)保护接地
变频控制系统的所有设备均有一个保护地，该保护地一般在机柜和其他设备设计加工时就已在内部接好，有的系统中已将该保护地在内部同电源进线的保护地(三芯插头的中间头)连在一起，有的不允许将保护地同该线相连，用户一定要仔细阅读厂家提供的接地安装说明书，不管哪种方式，CG必须将一台设备(控制站、操作员站等)上所有的外设或系统的CG连在一起，最后从一点上与大地接地系统相连。还有一点，变频器的所有外设必须从一条供电线上供电，而不允许从其他回路供电，否则可能会烧坏接口甚至设备，对于不得不用长线连接的场合，可用较粗导线供电，或采取通信隔离措施。
(5)模拟地(AG)
模拟地(又叫屏蔽地)是所有的接地中要求最高的一种。几乎所有的系统都提出AG一点接地，而且接地电阻应小于1健1Ω。变频器设计和制造中，在机柜内部安置了AG汇流排或其他设施。用户在接线时将屏蔽线分别接到AG汇流排上，在机柜底部，用绝缘的铜辫连到一点，然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连接到接地点。大多数的变频器要求，不仅各机柜AG对地电阻<1Ω，而且各机柜之间的电阻也要<1Ω。
(6)信号地
信号地的处理：原则上不允许各变送器和其他的传感器在现场端接地，而都应将其负端在变频器端子处一点接地。但在有些场合，纤长端必须接地，这时，必须注意原信号的输入端子(上双端)绝对不许和变频控制系统的接地线有任何电气连接，而变频控制系统在处理这类信号时，必须在前端采用有效的隔离措施。
以上抗干扰措施可根据系统的抗干扰要求来合理选择使用，若系统中含控制单元如微机等，还需在软件上采取抗干扰措施。
