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变频器谐波污染及治理(1)

变频调速在工业生产中具有十分重要的意义,但是由于变频器在输入回路中产生的高次谐波电流,对供电系统,负载及其他邻近电气设备产生干扰;尤其是在高精度仪表、微电子控制系统等应用中,谐波干扰问题尤为突出。本文从变频器工程实际应用出发,从隔离、滤波和接地三个方面全面阐述了抑制和消除干扰的方法,对提高变频器等工业设备运行的可靠性和安全性提供参考。 一、 变频器谐波产生机理 凡是在电源侧有整流回路的,都将因其非线性而产生高次谐波。变频器的主电路一般为交-直-交组成,外部输入380V/50HZ的工频电源经晶闸管三相桥路整流成直流,经电容器滤波后逆变为频率可变的交流电。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高次谐波,谐波次数通常为6N±1(N为自然常数)。如果电源侧电抗充分小、换流重叠μ可以忽略,那么第K次高次谐波电流的有效值为基波电流的1/K。 二、 高次谐波危害 谐波问题由来已久,近年来这一问题因由于两个因素的共同作用变得更加严重。这两个因素是: 工业界为提高生产效率和可靠性而广泛使用变频器等电力电子装置,使得与晶闸管相关设备的使用迅猛增长,并伴随着谐波源的同步增加和放大;电力用户为改善功率因数而大量增加使用电容器组,并联电容器以谐振的方式加重了谐波的危害。 非线形负荷产生的谐波电流注入电网,使变压器低压侧谐波电压升高,低压侧负荷由于谐波干扰而影响正常工作,另一方面谐波电压又通过供电变压器传递到高压侧干扰其它用户。 在三相回路中,三的整数倍次谐波电流是零序电流,零序电流在中性线中是相互叠加的。零序谐波电流主要是由三相四线制非线性设备产生的,使供电系统中的中性线电流很大。当中性线上有较大的谐波电流时,中性导线的阻抗在谐波下能产生大的中性线电压降,此中性线电压降以共模干扰形式干扰计算机和各种微电子系统的正常工作,使控制设备和精密仪器工作不可靠,故障率高。 高次谐波的危害具体表现在以下几个方面。 变压器: 谐波电流和谐波电压将增加变压器铜损和铁损,结果使变压器温度上升,影响绝缘能力,造成容量裕度减小。谐波还能产生共振及噪声。 感应电动机: 谐波同样使电动机铜损和铁损增加,温度上升。同时谐波电流会改变电磁转距,产生振动力矩,使电动机发生周期性转速变动,影响输出效率,并发出噪声。 开关设备:

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PLC 控制系统的电气隔离技术

一般工业控制系统既包括弱电控制部分,又包括强电控制部分。为了使两者之间既保持控制信号联系,又要隔绝电气方面的联系,即实行弱电和强电隔离,是保证系统工作稳定,设备与操作人员安全的重要措施。电气隔离目的之一是从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来,从而达到隔离现场干扰的目的。 一、信号隔离 信号的隔离目的之一是把引进的干扰通道切断,使测控装置与现场仅保持信号联系,不直接发生电的联系。工控装置与现场信号之间常用的隔离方式有光电隔离、脉冲变压器隔离、继电器隔离和布线隔离等。 1.光电隔离 光电隔离是由光电耦合器件来完成的。其输入端配置发光源,输出端配置受光器,因而输入和输出在电气上是完全隔离的。由于光电耦合器的输入阻抗(100Ω~1kΩ)与一般干扰源的阻抗(105~106Ω)相比较小,因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小,它所能提供的电流并不大,不易使半导体二极管发光。另外光电耦合器的隔离电阻很大(约 1012Ω)、隔离电容很小(约几个 pF),所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰,被控设备的各种干扰很难反馈到输入系统。

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其实,在一块主板上采用蛇行线的原因有两个:一是为了保证走线线路的等长。因为像CPU到北桥芯片的时钟线,它不同于普通家电的电路板线路,在这些线路上以100MHz左右的频率高速运行的信号,对线路的长度十分敏感。不等长的时钟线路会引起信号的不同步,继而造成系统不稳定。故此,某些线路必须以弯曲的方式走线来调节长度。另一个使用蛇行线的常见原因为了尽可能减少电磁辐射(EMI)对主板其余部件和人体的影响。因为高速而单调的数字信号会干扰主板中各种零件的正常工作。通常,主板厂商抑制 EMI的一种简便方法就是设计蛇形线,尽可能多地消化吸收辐射。但是,我们也应该看到,虽然采用蛇行线有上面这些好处,也并不是说在设计主板走线时使用的蛇行线越多越好。因为过多过密的主板走线会造成主板布局的疏密不均,会对主板的质量有一定的影响。好的走线应使主板上各部分线路密度差别不大,并且要尽可能均匀分布,否则很容易造成主板的不稳定。 3、忌用“飞线”主板  判断一块主板走线的好坏,还可以从走线的转弯角度看出来。好的主板布线应该比较均匀整齐,走线转弯角度不应小于135度。因为转弯角度过小的走线在高频电路中相当于电感元件,会对其它设备产生干扰。    而某些设计水平很差的主板厂商在设计走线时,由于技术实力原因往往会导致最后的成品有缺陷。此时,便采取人工修补的方法来解决问题,这种因设计不合理而出现的导线,称之为“飞线”(图2)。如果一块主板上有飞线,就证明该主板的走线设计有一些问题。

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科学瞎想系列之一三四 电机绕组(11)

讲完了电势高次谐波的产生,本期讲电势高次谐波的削弱。 1 为什么要削弱电势中的高次谐波 发电机电势中如果存在大量高次谐波,将使电势波形变坏,对电网造成谐波污染,供电品质恶化,产生许多不良影响。高次谐波电势的主要危害包括: ① 发电机本身附加损耗增大,效率降低,温升增高。 ② 可能引起输电线路的电感和电容发生谐振,产生过电压。 ③ 对邻近的通讯线路和设施产生干扰。 ④ 对并网运行的异步电动机产生有害的附加转矩和损耗,进而使电动机的起动和运行性能恶化。 ⑤ 对包括发电机本身在内的所有并网运行的电机,乃至其它用电负载产生振动和噪声。 正因为电势高次谐波存在以上危害,相关标准和规范中都对电机的端电压波形及其高次谐波含量进行了限制,主要指标有两个:一是空载电压(反电势)的正弦畸变率(Ku);二是电话谐波因数(THF)。两个指标的定义为: Ku=(∑Un²)^½/U1•100% ⑴ 式中:U1为基波电压有效值;Un为n次谐波电压有效值。 THF=[∑(λn•Un)²]^½/U•100% ⑵ 式中:U为线电压有效值;Un为线电压中n次谐波电压有效值;λn为n次谐波权衡系数,该系数是综合考虑电力线路对电话通讯线路的各方面干扰因素和人耳听觉等因素而实验确定的,见表1。

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