1、變頻器干擾分析及治理變頻器干擾分析及治理丹佛斯：丹佛斯：xxx丹佛斯：丹佛斯：范逸忻范逸忻1范逸忻丹佛斯電力電子部（PE） 技術部 資深專家電話：021-6151 3268箱：2變頻器干擾分類變頻器干擾分類1、變頻器電源輸入側會產生高次諧波諧波q 電氣設備故障q 設備誤操作或跳閘q 電纜或變壓器過載2、變頻器會產生電磁干擾電磁干擾（EMI）q 可分為傳導干擾和輻射干擾q 設備受到干擾，甚至不能工作，如計算機、收音機、電視機等q 符合相關規章或標準的產品可稱為具有電磁兼容性電磁兼容性EMCEMCq RFI RFI濾波器3、變頻器輸出端濾波器輸出端濾波器（du/dt及正弦

2、波濾波器）q 電機絕緣電壓、EMCq 電機運行噪音、電流泄露3變頻器原理圖變頻器原理圖主電源主電源整流整流中間回路中間回路逆變器逆變器控制回路控制回路電機電機負載負載q 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變頻器主回路圖變頻器主回路圖AC交流交流DC直流直流DC直流直流AC交流交流51、 、什么是諧波什么是諧波電源波形電源波形實際供電過程中，電網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何謂諧波何謂諧波q在一個周期性信號中，未受

3、干擾的理想信號稱為”基波” q“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倍 即可用基波分量的整數倍周期正弦函數之和表示的周期信號稱為諧波即可用基波分量的整數倍周期正弦函數之和表示的周期信號稱為諧波q電網中: 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 = 200 Hz f1 = 60Hz f2 = 120Hz f3 = 180Hz f4 = 240 Hz71abc23645IDCIDCVabVacVbcIaIb

4、Icq 標準六脈沖整流橋變頻器為例q 非線性負載引起的電網側電壓、電流的畸變變頻器整流橋的變頻器整流橋的諧波電流諧波電流8q 在電網上產生非正弦波電流在電網上產生非正弦波電流q 使電電網電壓產生相應的有規律脈動使電電網電壓產生相應的有規律脈動變頻器整流單元的整流過程變頻器整流單元的整流過程VabVacVbc1abc23645IDCVDCIaIbIc9整流單元的諧波分析整流單元的諧波分析基波基波11.th11.th7.th7.th13.th13.th5.th 5.th 諧波的分解諧波的分解101st (fundamental)1st (fundamental)11.th11.th7.th7.th

5、S)sin()(1thatfh13.th13.th5.th 5.th 諧波電流分析諧波電流分析-基波電流基波電流38.57 A總諧波畸變總諧波畸變THiD104.52%有效電流有效電流RMS 55.79 A(45%)5次諧波電流次諧波電流30.41 A7次諧波電流次諧波電流23.64 A11次諧波電流次諧波電流10.01 A13次諧波電流次諧波電流 5.07 A-諧波的分解諧波的分解整流單元的諧波分析整流單元的諧波分析111st (fundamental)1st (fundamental)11.th11.th7.th7.th13.th13.th5.th 5.th 諧波電流分析諧波電流分析-基波

6、電流基波電流38.57 A總諧波畸變總諧波畸變THiD104.52%有效電流有效電流RMS 55.79 A(45%)5次諧波電流次諧波電流30.41 A7次諧波電流次諧波電流23.64 A11次諧波電流次諧波電流10.01 A13次諧波電流次諧波電流 5.07 A-諧波的分解諧波的分解整流單元的諧波分析整流單元的諧波分析12時域圖：直觀的表達信號的周期和副值時域圖：直觀的表達信號的周期和副值時域圖時域圖頻域圖頻域圖傅立葉變換傅立葉變換頻域圖：分別表達出信號中基波及各次諧波的副值頻域圖：分別表達出信號中基波及各次諧波的副值諧波的表達諧波的表達13諧波失真率諧波失真率總諧波電流失真率總諧波電流失真

7、率 THiD總諧波電壓失真率總諧波電壓失真率 THvDTHiD=22)()1(max1nnnIITHvD=22)()1(max1nnnVV14總諧波電流畸變總諧波電流畸變 THiDTHiD “基波電流基波電流” ” 是指由基波提供的電流是指由基波提供的電流I(I(h h1) (1) (例如例如: f1 = 100 A): f1 = 100 A) “總諧波電流畸變總諧波電流畸變” ” 是指所有諧波電流對基波電流比值的均方根值是指所有諧波電流對基波電流比值的均方根值. .諧波的表達諧波的表達15諧波的表達諧波的表達%1021001004100610013100261006110076%100222

8、22222max)1()( AAAAAAAAAAAADTHhhIIihh16電壓畸變電壓畸變q 導致電氣設備的故障和損壞q 增加電磁干擾 (EMI) q 增加電機損耗q 導致電機轉矩波動q 導致設備誤動作*諧波導致供電電網的電流和電壓畸變諧波導致供電電網的電流和電壓畸變電流畸變電流畸變q 變壓器過載和噪音增加q 繼電器和斷路器誤動作q 功率因數補償電容損壞q 相關電氣設備老化q 電纜過熱和絕緣等級降低q 變壓器過熱和絕緣等級降低諧波的危害諧波的危害17q 電流畸變影響負載級性能q I*Z=Vq 電壓畸變影響系統級系統級性能q 非線性負載的諧波電流以及系統短路阻抗是計算電壓畸變必需的。僅僅知道負

9、載性能是不能夠預報電壓畸變的。q 背景電壓畸變也和系統級性能相關。和二級變壓器電壓畸變一樣。背景畸變可能是其它遠處的能量消費者引起的，經常有一點 (0.5 - 3%).電流和電壓畸變電流和電壓畸變標準與推薦標準標準與推薦標準標準標準/ 推薦標準推薦標準國家國家IEEE 519-1992 *North AmericaEN 61000-3-12 (.-2)EuropeGB/T14549-1993 China PRHK Code of Practice *Hong Kong* * Recommendations Recommendations最大電壓失真值:IEEE 519-1992敏感系統一般系統

10、專用系統THvD3 %5 %10 %GB/T14549-1993380v6.6kv10kvTHvD5%4%4%IEEE 519-1992:PCC1. 中間電壓變壓器的初級.這一級的電源質量主要由供電局負責，可以要求他們提供好的諧波性能的電源。 IEEE519-1992是 例子. PCC2.電源質量和電網的實際布局規劃相關.如果 THvD 過高, 電網同一側的其它用戶會受到干擾。這和供電局沒什么關系!如果THID過高, 則需要更大的變壓器，更粗的電纜，等等。PCC3. 僅和運行設備有關! 無相關性.僅需要檢查某個THvD值是否符合設備的運行條件。公共耦合點定義為一個用戶與其他用戶在公共供電網絡上

11、的連接點。公共耦合點定義為一個用戶與其他用戶在公共供電網絡上的連接點。19標準標準/ /推薦推薦產品級EN61800-3 變頻器EN61000-3-2 =16AEN61000-3-12 16 to 75A EN61000-3-416A (典型的測試：THiD 40th, 2.5分鐘測試周期, Rsce 相關) )EN 61000-3-12: 簡單連接 (不連接供電局)Minimal RscI5I7I11I13 THIDPWHD3310.77.23.121228 120402515104845EN 61000-3-12: 平衡三相設備 5th q 認證:CE, UL, cUL, q 額定:10A

12、 - 480A(400V) 并聯可實現更大功率(最大3個單元)q 選件:NEMA1 (端子蓋) 以及 IP21 套件丹佛斯無源濾波器丹佛斯無源濾波器26丹佛斯有源濾波器丹佛斯有源濾波器27丹佛斯低諧波變頻器丹佛斯低諧波變頻器q 集成有源濾波器的變頻器，為要求低諧波的應用提供一體化的解決方案q 產品系列：FC102，FC202，FC302q 功率范圍：132-1000kWq 電壓：380-690Vq 防護等級：IP21，IP54 LHD282、 、什么是電磁干擾（什么是電磁干擾（EMC）q 電磁干擾(Electromagnetic Interference)，簡稱EMI，有傳導干擾和輻射干擾兩種

13、q 傳導干擾主要是電子設備產生的干擾信號通過導電介質或公共電源線互相產生干擾，傳導干擾一般是通過電壓或電流的形式在電路中進行，頻率范圍為150 kHz - 30 MHzq 傳播輻射干擾是指電子設備產生的干擾信號通過空間耦合把干擾信號傳給另一個電網絡或電子設備，頻率范圍為30 MHz - 1 GHzq 為了防止一些電子產品產生的電磁干擾影響或破壞其它電子設備的正常工作，各國政府或一些國際組織都相繼提出或制定了一些對電子產品產生電磁干擾有關規章或標準，符合這些規章或標準的產品就可稱為具有電磁兼容電磁兼容性 EMC(Electromagnetic Compatibility)29Radiated n

14、oise if unscreenedq 變頻器可看成一個 “高頻干擾源”q 變頻器將干擾信號通過電機電纜傳播出去q 屏蔽電纜電纜將阻止并“捕獲”這些干擾q 從電機電纜到接地的雜散電容和電機電纜到屏蔽層的雜散電容、以及從電機 繞組到電機機殼的雜散電容，所有這些都提供了高頻干擾的低阻通道電磁干擾（電磁干擾（EMI）30Radiated noise if unscreenedq 變頻器可看成一個 “高頻干擾源”q 變頻器將干擾信號通過電機電纜傳播出去q 屏蔽電纜電纜將阻止并“捕獲”這些干擾q 從電機電纜到接地的雜散電容和電機電纜到屏蔽層的雜散電容、以及從電機 繞組到電機機殼的雜散電容，所有這些都提供

15、了高頻干擾的低阻通道q 這些干擾 “總想尋找通道回到它的發源地” (即形成回路回到變頻器)電磁干擾（電磁干擾（EMI）31Radiated noise if unscreened電磁干擾（電磁干擾（EMI）q 變頻器可看成一個 “高頻干擾源”q 變頻器將干擾信號通過電機電纜傳播出去q 屏蔽電纜電纜將阻止并“捕獲”這些干擾q 從電機電纜到接地的雜散電容和電機電纜到屏蔽層的雜散電容、以及從電機 繞組到電機機殼的雜散電容，所有這些都提供了高頻干擾的低阻通道q 這些干擾 “總想尋找通道回到它的發源地” (即形成回路回到變頻器)q 必須為這些干擾建立一個閉合的低阻通道q 以避免其通過地線或進線側返回32

16、電磁干擾（電磁干擾（EMC）Radiated noise if unscreened如何治理？33電磁干擾（電磁干擾（EMC）如何治理？q 安裝屏蔽電機電纜34電磁干擾（電磁干擾（EMC）如何治理？q 安裝屏蔽電機電纜q 屏蔽電纜必須在兩端都做接地（變頻器和電機側） 避免豬尾巴式接線 使用專用屏蔽線纜夾 如果屏蔽線必須斷開，則應參照示例方法處理q 電源進線與電機電纜分隔（推薦300mm）35Danfoss錯誤 !豬尾巴式接線屏蔽電纜示例: 電機隔離器電磁干擾（電磁干擾（EMC）36DanfossI ScreenI ScreenI ScreenI Screen屏蔽電纜示例：電機隔離器良好的外殼接

17、地線夾電磁干擾（電磁干擾（EMC）37電磁干擾（電磁干擾（EMI）的危害）的危害q 傳導干擾進入電源或來自變頻器和電機電纜的 q 輻射干擾可能引起： 其它控制系統和計算機不能正常工作 收音機，電視機及監視設備嚴重受到干擾 電子設備因其電源過載而停止工作 高靈敏測量及監視設備將停止工作381020304050607080901000Average dBV30.010.01.00.15MHz130120110Up to 100AmpAbove 100Amp EN55011 cl. BEN55011 cl. A1第一類環境第一類環境 C1類類 B類類第一類環境第一類環境 C2類類 A1類類第二類環境

18、第二類環境 C3類類 A2類類第二類環境第二類環境 C4類類 無無q IEC61800-3的限制等級為C1、C2、C3、C4環境q EN55011的限制等級為B、A1、A2類及無無IEC61800-3&EN55011電磁干擾（電磁干擾（EMC）的國際標準）的國際標準39丹佛斯的解決方案丹佛斯的解決方案全系列內置電磁干擾全系列內置電磁干擾（EMC）濾波器濾波器q 簡易的電磁兼容性安裝q 無需使用外接元件：降低設備及安裝成本q 滿足各種應用場合的不同要求H1- 滿足IEC 61800-3 C1，C2要求H2- 滿足IEC 61800-3 C3q 消除對現場其他設備的干擾40變頻器輸出端將產

19、生q du/dtq 共模電壓IGBT開關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、 、變頻器輸出端副作用變頻器輸出端副作用41變頻器輸出變頻器輸出q 電機絕緣與變頻器輸出的匹配是影響電機性能的重要因素之一q 變頻器（PWM）輸出電壓、電流與主電源（標準正弦波）不同42電機側電壓電機側電壓q 高速IGBT產生的每個PWM脈沖具有很快的上升時間（100-300ns）q 如此快的時間將使沿電機導線傳輸的波形產生改變，可能帶來尖峰電壓q 電機側獲得的脈沖波形將與變頻器輸出有所不同電機端電壓 43電機電纜的傳導電機電纜的傳導q 基于快速升高的波形，有必要將傳輸電纜看做傳輸線路q 該傳

20、輸線路可分解為多組電抗/電感部分，如上圖所示q 脈沖信號沿著電纜從變頻器發出向電機運行q 當脈沖信號到達電機時會發生反射，因為電機的高頻阻抗比電纜上的高的多44變頻器輸出端變頻器輸出端 vs. 電機輸入端電機輸入端q 因為電纜中存在高頻損耗，電壓上升時間會增加，同時，電壓波形來回振蕩q 由于高頻損耗，電壓峰值振蕩超過一個脈沖周期，逐步衰減，穩定在直流母線電壓q 如果脈沖非常接近（高開關頻率或電纜電感增加），則會發生雙脈沖現象q 如先前開關產生的振蕩未結束前下一個開關出現，高峰值電壓就會出現， 這種現象稱為“雙脈沖”q 另一種引起高峰值電壓現象是因為開關極性相反，通常出現在非連續脈沖列中45電機

21、電纜長度的波形影響電機電纜長度的波形影響q 電機端可能產生2倍于主電源峰值的尖峰電壓q 越短電纜，帶來越小的尖峰電壓值q 上升時間延長，同等電纜長度時可降低電機端尖峰電壓基于供電電源460 VAC的測試：*無過壓*部分過壓*幾乎100% 過壓調節視圖比例后圖形46q du/dt值隨電纜長度減少而減少，而電壓峰值則會隨之增加q 電壓峰值（Upeak）取決于變頻器直流母線電壓。q 而直流母線電壓在例如電機剎車時產生的峰值電壓，可能會超過IEC60034-17的限制值以上du/dt值（上升時間和電壓峰值）是在400V，37KW感應電機上使用30m，50m，以及150m電纜測得電機電纜長度的影響電機電

22、纜長度的影響47q 外加電壓高于絕緣系統的實際擊穿電壓q 在真空或諧振空腔內產生的現場電場強度足以高于空氣中的擊穿強度（局部放電初始電壓）影響影響q 當局部放電不斷產生時，會導致電機絕緣系統的損壞，提前老化q 在放電點處的絕緣材料變薄，直到擊穿發生 絕緣破壞絕緣破壞48q 若過電壓嚴重，則會最終導致電機絕緣系統失效q 以下因素通常與絕緣失效相關： -老電機絕緣系統差（改造） -頻繁使用再生制動的場合，使得直 流母線的電壓升高 -惡劣環境（溫度，濕度，化學氣體） 電機絕緣擊穿電機絕緣擊穿49關于限制電機絕緣壓力的要求有以下幾方面q 國際標準 IEC 60034-17 IEC 60034-25q

23、國家標準及規范例如美國的NEMA MG-1q 特殊行業要求例如德國化工行業要求的NAMUR 限制峰值電壓限制峰值電壓Upeak和和du/dt的要求的要求50q du/dt 濾波器q 正弦波濾波器其它選擇q 輸出電抗器q 電機終端單元 如何降低峰值電壓如何降低峰值電壓Upeak和和du/dt51q 使用du/dt濾波器后，電機端的相間電壓仍然是脈沖形，但是能量上升時間會減少，這樣可以緩解電機繞組上絕緣的壓力。q 與正弦波濾波器相比， du/dt濾波器有一個高于開關頻率的截止頻率，從而具有較小的電感（L）和電容（C）值，因此在價格上比正弦濾波器更低。 du/dt濾波器濾波器52 使用使用du/dt濾波器的電壓波形變化濾波器的電壓波形變化q 使用前q 使用后53 使用使用du/dt濾波器的電流波形變化濾波器的電流波形變化q 使用前q 使用后54q 功率范圍：0.75KW-1.2MWq 主電壓： T2 （至45KW） T4 （至