變頻器諧波危害及抑製

1、引言

采用變頻器驅動的電動機係統，因其節能效果顯著、調節方便維護簡單、網絡化等特點，而被越來越多地應用，但它的非線性、衝擊性的用電方式，帶來的乾擾問題也倍受人們的關注。對於一台變頻器來講，它的輸入端和輸出端都會產生高次諧波，輸入端的諧波還會通過輸入電源線對公用電網產生影響。

2、什麼是諧波

諧波產生的根本原因是由於非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關係，就形成非正弦電流，從而產生諧波。

諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據法國數學家傅立葉（M。FOURIER）分析原理證明，任何重複的波形都可以分解為含有基波頻率和一係列為基波倍數的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以區分為偶次諧波與奇次諧波，第3、5、7次編號的為奇次諧波，而2、4、6、8等為偶次諧波，如基波為50HZ時，2次諧波為100HZ，3次諧波則是150HZ。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相係統中，由於對稱關係，偶次諧波已經被消除了，隻有奇次諧波存在。對於三相整流負載，出現的諧波電流是6N次諧波，例如5、7、11、13、17、19等，變頻器主要產生5、7次諧波。

3、諧波的產生

從結構上來看，變頻器有間接變頻器和直接變頻器之分。間接變頻器將工頻電流通過整流器變成直流，然後再經過逆變器將直流變換成可控頻率的交流。而直接變頻器是將工頻電流直接變換成可控頻率的交流，冇有中間的直流環節。它的每相都是一個兩組晶閘管整流裝置反並聯的可逆電路。正反兩組按一定周期相互切換，在負荷上就獲得了交變輸出的電壓U0，U0的幅值決定於各整流裝置的控製角，頻率決定於兩組整流裝置的切換頻率。目前應用較多的還是間接變頻器。

間接變頻器有三種不同的結構方式：

（1）用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調壓和調頻分彆是在兩個環節上進行，兩者要在控製電路上協調配合；

（2）用不控整流器整流斬波器變壓，用逆變器變頻，這種變頻器整流環節用斬波器，用脈寬調壓；

（3）用不控整流器整流，用PWM逆變器變頻，這種變頻器隻有采用可控關斷的全控式器件（如IGBT等），輸出波形才會非常逼近正弦波。

無論哪一種變頻器，都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件，不管采用哪種整流方式，變頻器從電網中吸取能量的方式都不是連續的正弦波，而是以脈動的斷續方式向電網索取電流，這種脈動電流和電網的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網的電壓上，使電壓發生畸變，經傅裡葉級數分析可知，這種非同期正弦波電流是由於頻率相同的基波和頻率大於基波頻率的諧波組成。

4、諧波的危害

一般來講，變頻器對容量相對較大的電力係統影響不很明顯，而對容量小的係統，諧波產生的乾擾就不可忽視，它對公用電網是一種汙染。諧波汙染對電力係統的危害是嚴重的，主要表現在：

（1）諧波對供電線路產生了附加損耗。由於集膚效應和鄰近效應，使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的浪費；由於中性線正常時流過電流很小，故其導線較細，當大量的三次諧波流過中性線時，會使導線過熱、絕緣老化、壽命縮短以至損壞；

（2）諧波影響各種電氣設備的正常工作。對如發電機的旋轉電機產生附加功率損耗、發熱、機械振動和噪聲；對斷路器，當電流波形過零點時，由於諧波的存在可能造成高的DI／DT，這將使開斷困難，並且延長故障電流的切除時間；

（3）諧波使電網中的電容器產生諧振。工頻下，係統裝設的各種用途的電容器比係統中的感抗要大得多，不會產生諧振，但諧波頻率時，感抗值成倍增加而容抗值成倍減少，這就有可能出現諧振，諧振將放大諧波電流，導致電容器等設備被燒毀；

（4）諧波引起公用電網局部的並聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，這就使上述危害大大增加，甚至引起嚴重的責任事故；

（5）諧波將使繼電保護和自動裝置出現誤動作，並使儀表和電能計量出現較大誤差；諧波對其他係統及電力用戶危害也很大：如對附近的通信係統產生乾擾，輕者出現噪聲，降低通信質量，重者丟失信息，使通信係統無法正常工作；影響電子設備工作精度，使精密機械加工的產品質量降低；設備壽命縮短，家用電器工況變壞等。

5、諧波的抑製

變頻器給人們帶來極大的方便、高效率和巨大的經濟效益的同時，對電網注入了大量的諧波和無用功，使供電質量不斷惡化。另一方麵，隨著以計算機為代表的大量敏感設備的普及應用，人們對公用電網的供電質量要求越來越高，許多國家和地區已經製定了各自的諧波標準。我國也分彆於1984年和1993年通過了“電力係統諧波管理規定”和“GB／T－14549－93標準”，用以限製供電係統及用電設備的諧波汙染。

抑製諧波的總體思路有三個：其一是裝置諧波補償裝置來補償諧波；其二是對電力係統裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數可控為1；其三是在電網係統中采用適當的措施來抑製諧波。具體方法有以下幾種：

（1）采用適當的電抗器。變頻器的輸入側功率因數取決於裝置內部的AC／DC變換電路係統，可利用並聯功率因數矯正DC電抗器，電源側串聯AC電抗器的方法，使進線電流的THDV大約降低30％～50％，是不加電抗器諧波電流的一半左右；

（2）裝設有源電力濾波器。除傳統的LC調試濾波器目前還在應用外，當前抑製諧波的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器，它串聯或是並聯於主電路中，實時從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，從而使電網電流隻含基波電流。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，其特性不受係統的影響，無諧波放大的危險，因而倍受關注，在日本等國已獲得廣泛應用；

（3）采用多相脈衝整流。在條件允許或是要求諧波限製在比較小的情況下，可采用多相整流的方法。12相脈衝整流的THDV大約為10％～15％，18相的為3％～8％，完全滿足國際標準的要求。其缺點是需要專用變壓器，不利於設備的改造，成本費用較高；

（4）使用濾波模塊組件。目前市場上有很多專門用於抗傳導乾擾的濾波模塊或組件，這些濾波模塊具有較強的抗乾擾能力，同時還具有防用電器本身的乾擾傳導給電源，有些還兼有吸收尖峰電壓的功能，對各類用電設備大有益處；

（5）開發新型的變流器。大容量的變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術。幾千瓦到幾百千瓦的高功率因數整流器主要采用PWM逆變器可構成四象限交流調速變頻器，這種變頻器不但輸出電壓、電流為正弦波，而且輸入電流也為正弦波，且功率因數為1，還可以實現能量的雙向傳遞，代表了這一技術的發展方向；

（6）選用D－YN11接線組彆的三相配電變壓器。三相變壓器中把高壓側繞組接成三角形，低壓繞組為星型且中性點和“11”連接以保證相電動勢接近於正弦形，從而避免了相電動勢波形畸變的影響。此時，由地區低壓電網供電的220V負荷，線路電流不會超過30A，可用220V單相供電，否則應以220／380V三相四線供電；

減少或削弱變頻器諧波的方法還有：

（1）在變頻器與電動機之間增加交流電抗器，以減少傳輸過程中的電磁輻射；

（2）使用具有間隔層的變壓器，可以將絕大部分的傳導乾擾隔離在變壓器之前；

（3）采用具有一定消除高頻乾擾的雙積分A／D轉換器；

（4）信號線與動力線分開配線，儘量使用雙膠線降低共膜乾擾；

（5）選用具有開關電源的儀表等低壓電器；

（6）在使用單片機、PLC等為核心的控製係統中，在編製軟件的時候適當增加對檢測信號和輸出控製部分的軟件濾波，以增加係統自身的抗乾擾能力。

6、小結

變頻器的使用給人們帶來了極大的方便和巨大的經濟效益，它必將更為廣泛地使用，但是由於它特有的工作方式，給公用電網帶來了一定的破壞，成為電網主要汙染源之一，所以，分析和研究抑製諧波的方法將成為一個非常重要的課題。