西門子SITOP電源模塊6EP3334-8SB00-0AY0

 變頻器諧波污染及治理

     變頻調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的意義，但是由于變頻器在輸入回路中產(chǎn)生的高次諧波電流，對供電系統(tǒng)，負載及其他鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾；尤其是在高精度儀表、微電子控制系統(tǒng)等應(yīng)用中，諧波干擾問題尤為突出。本文從變頻器工程實際應(yīng)用出發(fā)，從隔離、濾波和接地三個方面全面闡述了抑制和消除干擾的方法，對提高變頻器等工業(yè)設(shè)備運行的可靠性和安全性提供參考。7 M& I& P5 y: D9 j) k/ i
   
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    一、 變頻器諧波產(chǎn)生機理
   
    , t; I$ G' @. O, }; Z凡是在電源側(cè)有整流回路的，都將因其非線性而產(chǎn)生高次諧波。變頻器的主電路一般為交－直－交組成，外部輸入380V/50HZ的工頻電源經(jīng)晶閘管三相橋路整流成直流，經(jīng)電容器濾波后逆變?yōu)轭l率可變的交流電。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級數(shù)分解為基波和高次諧波，諧波次數(shù)通常為6N±1（N為自然常數(shù)）。如果電源側(cè)電抗充分小、換流重疊µ可以忽略，那么第K次高次諧波電流的有效值為基波電流的1/K。! K$ l, ^3 e4 t+ g V( g
   
    二、 高次諧波危害
   
    ; \# D; }! \4 J) \諧波問題由來已久，近年來這一問題因由于兩個因素的共同作用變得更加嚴重。這兩個因素是：工業(yè)界為提高生產(chǎn)效率和可靠性而廣泛使用變頻器等電力電子裝置，使得與晶閘管相關(guān)設(shè)備的使用迅猛增長，并伴隨著諧波源的同步增加和放大；電力用戶為改善功率因數(shù)而大量增加使用電容器組，并聯(lián)電容器以諧振的方式加重了諧波的危害。
   
    6 y* l' `& L7 t& B3 I非線形負荷產(chǎn)生的諧波電流注入電網(wǎng)，使變壓器低壓側(cè)諧波電壓升高，低壓側(cè)負荷由于諧波干擾而影響正常工作，另一方面諧波電壓又通過供電變壓器傳遞到高壓側(cè)干擾其它用戶。
   
    , V4 M; B: V( ~9 C在三相回路中，三的整數(shù)倍次諧波電流是零序電流，零序電流在中性線中是相互疊加的。零序諧波電流主要是由三相四線制非線性設(shè)備產(chǎn)生的，使供電系統(tǒng)中的中性線電流很大。當中性線上有較大的諧波電流時，中性導(dǎo)線的阻抗在諧波下能產(chǎn)生大的中性線電壓降，此中性線電壓降以共模干擾形式干擾計算機和各種微電子系統(tǒng)的正常工作，使控制設(shè)備和精密儀器工作不可靠，故障率高。
   
    ! F* a0 j! c2 W3 `. Y0 q$ H0 j& }' ?高次諧波的危害具體表現(xiàn)在以下幾個方面。
   
    1 t3 r) L: r) @) J% Z8 e/ ?9 q變壓器
   
    / M9 Z! J W' {" e% g" m諧波電流和諧波電壓將增加變壓器銅損和鐵損，結(jié)果使變壓器溫度上升，影響絕緣能力，造成容量裕度減小。諧波還能產(chǎn)生共振及噪聲。' Q3 t( ^1 m% N4 D- Y. B
   
    感應(yīng)電動機# C! h0 D! r. V3 o3 S3 Y
   
    諧波同樣使電動機銅損和鐵損增加，溫度上升。同時諧波電流會改變電磁轉(zhuǎn)距，產(chǎn)生振動力矩，使電動機發(fā)生周期性轉(zhuǎn)速變動，影響輸出效率，并發(fā)出噪聲。
   
    $ j( ^+ s' o) `! q4 K7 x2 x開關(guān)設(shè)備
   
    - v0 i8 i3 S3 u$ u% l, O# O" b9 C由于諧波電流使開關(guān)設(shè)備在起動瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率，使暫態(tài)恢復(fù)峰值電壓增大，破壞絕緣，還會引起開關(guān)跳脫、引起誤動作。
   
    0 _0 C% D1 @7 _- ?' B# k保護電器電流中含有的諧波會產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)距，改變電器動作特性，引起誤動作，甚至改變其操作特性，或燒毀線圈。1 X/ _& s2 n" J
   
    計量儀表
   
    7 k" A5 Y4 ~- ?& Y1 `4 R( S計量儀表因為諧波會造成感應(yīng)盤產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)矩，引起誤差，降低精度，甚至燒毀線圈。
   
    - f! K3 L; s, @; p) x1 x q% O電力電子設(shè)備5 | P/ g4 i' W$ D6 k. C' s
   
    電力電子設(shè)備通?？烤_電源零交叉原理或電壓波形的形態(tài)來控制和操作，若電壓有諧波成分時，零交叉移動、波形改變、以致造成許多誤動作。; W4 O: g* O" D+ @' g
   
    計算機和一些其它電子設(shè)備，通常要求總諧波電壓畸變率(THD)小于5%，且個別諧波電壓畸變率低于3%，較高的畸變量可導(dǎo)致控制設(shè)備誤動作，進而造成生產(chǎn)或運行中斷，導(dǎo)致較大的經(jīng)濟損失。( u( ?" { |$ g. t$ F
   
    電力電纜
   
    . j. x% f+ f4 ?# _9 y高頻諧波電流會在導(dǎo)體中引起集膚效應(yīng)，產(chǎn)生額外溫升增加銅耗。特別是零序的3次諧波電流在中性線中是相互疊加的，使供電系統(tǒng)中的中性線電流很大，有的中性線上的電流還會超過相電流，使中性線發(fā)熱，加速絕緣層老化，甚至引起火災(zāi)。此外當中性線上有較大的諧波電流時，導(dǎo)線的阻抗能產(chǎn)生大的中性線電壓降，干擾各種微電子系統(tǒng)的正常工作。
   
    ) I, ]% L( M f S2 N電力電容器/ F& r9 w3 i/ a9 {" G, P
   
    高次諧波由于頻率增大，電容器對高次諧波阻抗減小，因過電流而導(dǎo)致溫度升高過熱、甚至損壞電容器；電容器與系統(tǒng)中的感性負荷構(gòu)成的并聯(lián)或串聯(lián)電路，還有可能發(fā)生諧波共振，放大諧波電流或電壓加重諧波的危害。經(jīng)由電容器組電容和電網(wǎng)電感形成的并聯(lián)諧振回路，可被放大到10-15倍。8 U7 \& @( J) p: Y- \5 Y& G# |/ r8 [1 P
   
    三、 變頻器高次諧波污染的解決途徑1 e( R# z, ^) i$ k; R
   
    高次諧波主要通過傳導(dǎo)和感應(yīng)耦合兩種方式對電源及鄰近用電設(shè)備產(chǎn)生諧波污染。傳導(dǎo)是指高次諧波按著各自的阻抗分流到電源系統(tǒng)和并聯(lián)的負載，對并聯(lián)的電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾；感應(yīng)耦合是指諧波在傳導(dǎo)的過程中，與此電源線平行敷設(shè)的導(dǎo)線又會產(chǎn)生電磁耦合，形成感應(yīng)干擾。$ ?- ?* n/ w3 N+ S' H
   
    在實際工業(yè)生產(chǎn)中為消除變頻器高次諧波對電氣設(shè)備的干擾，主要從抑制干擾源、切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道并且避免功率補償電容器與系統(tǒng)諧振二個方面解決。+ l# X) ?$ J* t
   
    解決傳導(dǎo)干擾主要是在電路中把傳導(dǎo)的高頻諧波電流濾掉或者隔離；8 T9 n; |, d: q
   
    合理布置干擾源和被干擾線路的距離、走向，可避免或減少耦合產(chǎn)生。
   
    4 C5 c! Q0 P! w- S# I6 K四、 實際工程抗干擾措施應(yīng)用: j9 b5 v$ G o/ T/ g3 \) h+ ~
   
    隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的逐步提高，變頻器使用范圍的逐步加大，變頻器高次諧波帶來的確電磁干擾和污染問題也越來越突出，怎樣處理好變頻器系統(tǒng)的諧波干擾和污染問題也越為越突出，怎么樣處理好變頻器系統(tǒng)的諧波干擾污染成了變頻器進一步推廣應(yīng)用，特別是在對諧波污染要求高的場所的推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。( D: f; L! s1 B+ c
   
    隔離措施& f) J6 o4 z$ g/ O
   
    9 r4 m8 r/ [& N! `/ y! G. O隔離技術(shù)是電磁兼容性中的重要技術(shù)之一。所謂干擾的隔離，是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。( d9 u$ e4 N7 v
   
    （1）、在變頻器交流輸入側(cè)安裝交流電抗器，增大整流阻抗使整流重疊角增大，減小高次諧波電流。
   
    4 k' p1 @! i- P（2）、使所有的信號線很好地絕緣，使其不可能漏電，這樣，防止由于接觸引入干擾。
   
    , X5 }$ C( [. ?" D0 \（3）、將不同種類的信號線隔離鋪設(shè)（在不同一電纜槽中，劃用隔板隔開），可根據(jù)信號不同類型將其按抗噪聲干擾的能力分成幾等，單獨走電纜或電纜槽。
   
    % O" ?$ q3 Y' Q: \接地措施
   
    ; Z# Y. P/ Q3 u, Q0 x8 k接地的作用有兩類：一是保護人和設(shè)備不受損害（保護接地）；二是抑制干擾（工作接地）。正確的接地既可以使系統(tǒng)有效地抑制外來干擾，又能降低設(shè)備本身對外界的干擾。' S% G4 I' m. Q6 k
   
    為了使變頻控制系統(tǒng)以及與之相連的儀表均能可靠運行并保證測量和控制精度，必須為變頻器設(shè)立可靠地工作接地。它分為電源地、信號地、模擬地（AG屏蔽地），在石化和其他防爆系統(tǒng)中還有本安地。& u; }6 \7 o! o" X" b' n* z
   
    變頻器的各種接地在沒匯到接地匯流排前，彼此之間應(yīng)保證絕緣，避免接地干擾。
   
    2 ^) R8 y- o M* h0 h反諧振措施
   
    : v: e7 F1 s( B* F7 E: L* G諧波對連接在功率因數(shù)電路中的電容器是非常危險的。電容器的電容與電網(wǎng)的電感形成了一個諧振電路，通常這個諧振電路的自諧振頻率一般位于250和500Hz之間，即在5次和7次諧波范圍內(nèi)。當電網(wǎng)中存在的諧波頻率與自諧振頻率相近時，有可能使諧波電流放大到正常的20倍左右。受諧波影響的電網(wǎng)不能采用常規(guī)的電容器來做無功補償。$ m! X3 x! Z8 O! Y" ]" l9 t
   
    當系統(tǒng)上存在諧波時，使用調(diào)諧濾波電容器組，是功率因數(shù)補償?shù)淖罴逊椒ㄖ弧?由電容器和電抗器串聯(lián)組成的非調(diào)諧濾波電容器組，可以在基波頻率段補償無功功率，同時解調(diào)諧振電路的自諧振頻率。2 i5 j3 j; F8 v, g) g- I/ @ K5 ^) T
   
    調(diào)諧濾波電容器組，由數(shù)段電容器及調(diào)諧電抗器組合而成，每段形成串聯(lián)共振回路，使共振頻率低于極低之諧波頻率。對含有5次以上諧波的系統(tǒng)，使用帶6%電抗器的調(diào)諧式電容器組；對含有3次以上諧波的系統(tǒng)，使用帶14%電抗器的調(diào)諧式電容器組。在基本波頻率(50Hz)下，調(diào)諧濾波電容器組呈現(xiàn)電容性，以提供無功功率；而在諧波頻率下，則呈現(xiàn)電感性，故與網(wǎng)絡(luò)不會形成并聯(lián)共振回路，亦即不會造成諧波放大。因此，調(diào)諧濾波電容器組，可安全補償無功功率，亦可消除低次諧波電流約30%。; k' f& ]. p/ \: ?; V
   
    濾波技術(shù)9 h1 ]% M4 q7 [: L& N! p1 a
   
    濾波器能有效地抑制諧波的傳導(dǎo)干擾。在低壓電網(wǎng)中，當諧波電流畸變率THD_I>10%，或諧波電壓畸變率THD_V>3%時，可考慮安裝諧波濾波器。對于不同的諧波源和電氣設(shè)備，可考慮安裝相應(yīng)的濾波設(shè)備。
   
    : h' `+ S" G% Z5 C- S* e) \7 @當系統(tǒng)中的變頻器是以三相六脈動全波整流為主時，根據(jù)公式諧波次數(shù)K=6N±1，諧波以5、7次為主，通常采用并聯(lián)式5次和7次單調(diào)諧濾波器。
   
    / |% ^1 m* O# u! }7 a0 ^當系統(tǒng)中的變頻器主要用于三相四線中的單相電路時，諧波以相序為零的3次諧波為主，應(yīng)該安裝并聯(lián)式3次 諧波濾波器。$ N Y/ S6 p- f9 f+ Y
   
    當系統(tǒng)對抗干擾力要求較高、或系統(tǒng)中諧波含量較復(fù)雜時，為減少變頻器高次諧波的污染，可在電源輸入端并聯(lián)有源濾波器。有源濾波器能有效慮除電網(wǎng)中2～50次諧波，反應(yīng)時間小于1毫秒，是目前很有效的一種濾波技術(shù)

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插入了BOP20基本操作員面板的CU320-2 控制單元

用戶友好的 AOP30 操作員面板是 SINAMICS G130 轉(zhuǎn)換器的可選 I/O 設(shè)備。該操作員面板在 SINAMICS G150 變頻調(diào)速柜上作為標準部件安裝在機柜門內(nèi)。可以為 SINAMICS G130 變頻器單獨訂購。

該面板具有以下功能特性：

帶背光照明的 LCD 圖形顯示屏，可先是普通文字并通過條形圖顯示過程變量；
顯示運行模式的 LED
用于對故障和報警的原因和補救措施進行說明的幫助功能；
驅(qū)動系統(tǒng)運行控制小鍵盤
通過遠程/本地切換可選擇輸入點（優(yōu)先級賦予操作員界面或客戶終端模塊/通信通道）。
數(shù)字鍵盤，用于設(shè)定點或參數(shù)輸入
用于在菜單中瀏覽的功能鍵；
兩級安全策略可防止發(fā)生事故或未經(jīng)*而改變設(shè)定值。

利用鍵盤鎖定可以停止通過操作員界面操作驅(qū)動器，使得只有參數(shù)值和過程變量可在操作界面顯示。
密碼的使用可防止未經(jīng)*而修改變頻器參數(shù)。

前面板防護等級為 IP55。

AOP30 通過 RS232 串口和 PPI 通信與 SINAMICS 驅(qū)動器通信。

例如，如果驅(qū)動系統(tǒng)僅通過 PROFIBUS 進行操作，則可以不使用 AOP30 操作員面板，機柜上無需任何本地顯示。隨后，AOP30 可以簡單地用于調(diào)試及獲得診斷信息，此時要將其插到 CU320-2 控制單元的 RS232 接口上。

AOP30 的操作需要使用外部 24 V 電源（大功耗 200 mA）。其抽頭可取自電源模塊。

串行插入式電纜的分配

設(shè)計

AOP30 是一種具有圖形顯示屏和薄膜鍵盤的操作員面板。設(shè)備可安裝在控制柜門中（厚度：2 mm - 4 mm）。

特點：

顯示屏帶有綠色背景燈，分辨率：240 x 64 像素
26 鍵薄膜鍵盤
用于 24 V 電源的連接
連接 CU320-2 的 RS232 接口
帶內(nèi)部電池備份供電的時間和日期記憶
4 個 LED 用于指示驅(qū)動系統(tǒng)的工作狀態(tài)：

RUN 綠色
ALARM 黃色
FAULT 紅色
本地/遠程綠色

功能

操作面板上顯示當前工作狀態(tài)、設(shè)定點及實際值、參數(shù)、指標、故障及報警。

CU320 控制單元的 CompactFlash 卡上存儲有英語、法語、德語、意大利語、西班牙語和中文等操作員面板語言。所需語言必須在調(diào)試前下載至 AOP30。除了這些標準的面板語言之外