變頻器諧波的危害及對(duì)設(shè)備的影響

1.引言

變頻技術(shù)已廣泛應(yīng)用于變頻空調(diào)、變頻電冰箱、變頻微波爐、變頻器洗衣機(jī)、變頻電磁爐、變頻電機(jī)、伺服電機(jī)……這些都是變頻技術(shù)給大眾帶來的公益性，更主要的是能夠?qū)崒?shí)在在給我們帶來實(shí)惠。變頻技術(shù)在節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高自動(dòng)控制、增加設(shè)備使用壽命、增加環(huán)境舒適性等方面發(fā)揮著巨大的作用。但它并非沒有缺點(diǎn)，也產(chǎn)生了一些負(fù)面作用，比如在各行業(yè)應(yīng)用中會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染或不良影響。

2．變頻調(diào)速器產(chǎn)生諧波

圖1.1 變頻器主電路

變頻技術(shù)中最具代表性的是“變頻調(diào)速裝置”，全稱是交流變頻調(diào)速器，用于交流電機(jī)，在調(diào)整輸出頻率的同時(shí)按比例調(diào)整輸出電壓，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到交流電機(jī)調(diào)速的目的。變頻調(diào)速器分為交-交和交-直-交兩種形式，國(guó)產(chǎn)變頻調(diào)速器的主電路一般為交-直-交組成，本文主要討論交-直-交變頻調(diào)速器，其基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。交-直-交變頻器是先把工頻交流電通過三相整流器變成直流電（直流環(huán)節(jié)可以是電感器或是電容器），然后再把直流電變換成頻率、電壓均可調(diào)控的交流電；主電路包括整流器、直流環(huán)節(jié)、逆變器。

由于變頻器采用的電路結(jié)構(gòu)是“整流器—電容/電感器—逆變器”，無論是整流器或是逆變器都具有非線性特性，所以它會(huì)產(chǎn)生高次諧波。這種高次諧波會(huì)使輸入電源的電壓波形和電流波形發(fā)生畸變。如果不采取有效抑制措施，它對(duì)各種電氣設(shè)備，自動(dòng)化裝置、計(jì)算機(jī)、計(jì)量?jī)x器以及通信系統(tǒng)均有不同程度的影響。對(duì)于供電線路來說，由于高次諧波的作用，惡化了電網(wǎng)質(zhì)量指標(biāo)，降低了電網(wǎng)的可靠性，增加了電網(wǎng)損失，縮短了電氣設(shè)備的壽命。

3．諧波和無功功率的產(chǎn)生

3．1在輸入側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理

圖1.2 三相橋式整流回路及輸入側(cè)波形

目前，國(guó)內(nèi)電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源，其中就包括變頻調(diào)速器。在變頻調(diào)速器輸入側(cè)，整流電路所占的比例最大，如圖1.2中（B）所示。目前，國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速器常用的整流電路幾乎都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，其中以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。帶阻感負(fù)載的整流電路所產(chǎn)生的諧波污染和功率因數(shù)滯后已為人們所熟悉。變頻調(diào)速器直流側(cè)采用電容濾波或電感濾波的二極管整流電路也是嚴(yán)重的諧波污染源。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同，因而基波功率因數(shù)接近1。 但其輸入電流為非正弦波，如圖1.2中（A）所示，它含有豐富的高次諧波成分，給電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，也使得總的功率因數(shù)降低。

變頻調(diào)速裝置屬于非線性裝置也要消耗無功功率，如三相橋式整流電路在調(diào)整電壓時(shí)，在工作時(shí)基波電流滯后于電網(wǎng)電壓，要消耗大量的無功功率。另外，這些裝置也會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流，諧波源都是要消耗無功功率的。二極管整流電路的基波電流相位和電網(wǎng)電壓相位大致相同，所以基本不消耗基波無功功率。但是它也產(chǎn)生大量的諧波電流，因此也消耗一定的無功功率。

3．2在輸出側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理

圖1.3 逆變回路及輸出側(cè)波形

在逆變輸出回路中，輸出電壓和輸出電流均有諧波。如圖1.3中（C）所示，由于變頻器是通過DSP產(chǎn)生6路脈寬可調(diào)的PWM波控制三相的6組功率元件導(dǎo)通/關(guān)斷，從而形成電壓、頻率可調(diào)的三相輸出電壓。其輸出電壓和輸出電流是由PWM波和三角載波的交點(diǎn)產(chǎn)生的，不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，如電壓型變頻器，其輸出電壓波形為方形波，如圖1.3中（A）所示，用傅氏級(jí)數(shù)分解電壓方波和電流正弦鋸齒波可分析出包含較強(qiáng)的高次諧波成分，高次諧波對(duì)設(shè)備產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾，甚至造成設(shè)備不能使用，周圍儀器信號(hào)失真。諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。輸出電流中也具有頻率很高的高次諧波成分，如圖1.3中（B）所示。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。其中諧波頻率的高低與變頻器調(diào)制頻率有關(guān)，調(diào)制頻率低（1-2KHz），人耳聽得見高次諧波產(chǎn)生的電磁噪聲（尖叫聲）；若調(diào)制頻率高（如IGBT變頻器可達(dá)20KHz），人耳聽不見，但高頻信號(hào)客觀存在。從電力方波及電流正波的基波和其他各次諧波，而高次諧波電流對(duì)負(fù)載直接干擾。另外，高諧波電流還通過電纜向空間輻射，干擾附近電器設(shè)備。

4．諧波的危害及對(duì)設(shè)備的影響

由于變頻調(diào)速技術(shù)的不斷擴(kuò)大，因此諧波污染電力系統(tǒng)及周圍設(shè)備的影響就日益嚴(yán)重，甚至造成其它電子設(shè)備不能正常工作。例如：

（1）增加了電網(wǎng)中產(chǎn)生諧振的可能性，從而造成很高的過電流或過電壓而引發(fā)事故的危險(xiǎn)性。

（2）增加附加損耗，如電流諧波將會(huì)使變壓器的銅損增加。電壓諧波將增加鐵損。

（3）使電氣設(shè)備（如電動(dòng)機(jī)、電容器、變壓器等）使用不正常，產(chǎn)生發(fā)熱損耗、機(jī)械震動(dòng)、噪音、輸出功率損耗；從而導(dǎo)致電機(jī)過熱，加速絕緣老化，從而縮短它們的使用壽命。

（4）使測(cè)量和計(jì)量?jī)x器、儀表、自動(dòng)裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以及許多用電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不正常，影響設(shè)備測(cè)量精度，出現(xiàn)誤動(dòng)作或誤差，使機(jī)械產(chǎn)品加工質(zhì)量降低。

（5）干擾通信系統(tǒng)，降低信號(hào)的傳輸質(zhì)量，破壞信號(hào)的正常傳遞，甚至損壞通信設(shè)備。

（6）某些情況下，它不僅產(chǎn)生諧波，而且還引起供電電壓波動(dòng)和閃變，甚至引起三相電壓不平衡，會(huì)危及電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并影響電氣設(shè)備的正常使用。

5．減小和防止諧波的方法

為了減小高次諧波產(chǎn)生的干擾，原則上應(yīng)該對(duì)發(fā)生源（變頻器）進(jìn)行抑制。對(duì)小容量的變頻調(diào)速器，高次諧波很少，當(dāng)使用大容量時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生高次諧波電流和高次諧波干擾問題，為解決變頻調(diào)速裝置的諧波污染問題，基本思路有兩條：一條是裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波，這對(duì)各種諧波源都是適用的；另一條是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造（例如結(jié)構(gòu)、工藝、控制等），使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1，這當(dāng)然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。因此對(duì)于高次諧波先采取適當(dāng)?shù)膶?duì)策和預(yù)防措施。具體方法如下：

5.1增加電抗器

電抗器分交流電抗器（包括輸入與輸出電抗器）與直流電抗器，如圖1.4、1.5所示。選擇合適的電抗器與變頻器配套使用，可以起到如下效果：

（1）可以抑制諧波電流，抑制電動(dòng)機(jī)噪聲，抑制輸入中的浪涌電流；

（2）可以降低變頻器系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波總量，提高功率因數(shù)；

（3）可以抑制來自電網(wǎng)的浪涌電流對(duì)變頻器的沖擊；

（4）可以保護(hù)變頻器，提高變頻器和電機(jī)的可靠運(yùn)行；

（5）可以補(bǔ)償連接長(zhǎng)導(dǎo)線的充電電流，從而使電動(dòng)機(jī)在引線較長(zhǎng)時(shí)也能正常工作。

圖1.4 交流電抗器

圖1.5 直流電抗器

安裝電抗器應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：

（1）電抗器必須安裝在距離變頻器最近的地方，盡量縮短與變頻器的引線距離。

（2）不能將電源線扭成繩或辮，盡量與控制線分開走線。

（3）為了避免電抗器在使用和運(yùn)輸過程中震動(dòng)損壞，請(qǐng)于安裝時(shí)將螺絲緊固，以免產(chǎn)生噪音與事故。

5.2加裝EMI 濾波器

圖1.6所示，濾波器的作用是為了抑制從導(dǎo)線及金屬管線上傳導(dǎo)無線信號(hào)到設(shè)備中去，將來自變頻器的高次諧波分量與電源系統(tǒng)的阻抗分離，或者抑制干擾信號(hào)從干擾源設(shè)備通過電源線傳導(dǎo)到外邊去。此處是抑制干擾信號(hào)從變頻器通過電源線傳導(dǎo)到電源或電動(dòng)機(jī)去。

加裝EMI濾波器，還可以減少電磁噪聲和損耗。很多人認(rèn)為EMI電源濾波器的作用是使設(shè)備能夠滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)傳導(dǎo)發(fā)射和傳導(dǎo)敏感度的要求，但這是不全面的。EMI電源濾波器對(duì)抑制設(shè)備產(chǎn)生的較強(qiáng)輻射干擾方面也很重要，合理的解釋是：EMI電源濾波器能防止設(shè)備本身產(chǎn)生的干擾進(jìn)人電源線，同時(shí)防止電源線上的干擾進(jìn)入設(shè)備。

圖1.6 EMI濾波器

5.3其它措施與方法

（1） 在高頻沖擊負(fù)載如電焊機(jī)、電鍍電源、電解電源等場(chǎng)合建議用戶增加無功靜補(bǔ)裝置，提高電網(wǎng)功率因數(shù)和質(zhì)量。

（2） 在變頻器比較集中的車間，建議采用集中整流，直流共母線供電方式。建議用戶采用脈沖整流模式。優(yōu)點(diǎn)是，諧波小、節(jié)能，特別適用于頻繁起制動(dòng)、電動(dòng)運(yùn)行與發(fā)電運(yùn)行同時(shí)進(jìn)行的場(chǎng)合。

（3） 變頻器輸入側(cè)加裝有源PFC裝置，效果最好，但成本較高。

（4） 改善變頻器結(jié)構(gòu)，減少變頻系統(tǒng)注入電網(wǎng)的諧波、無功等污染。

（5）提高變頻器載波頻率，可以有效抑制低次諧波。PWM輸出的載波頻率對(duì)電機(jī)的噪聲有很大的影響，對(duì)變頻器的干擾也有影響。所以只要載波頻率足夠大，較低次諧波就可以被有效地抑制。

（6） 采用更合適的控制策略來優(yōu)化或改進(jìn)，可以更大限度地減少諧波的產(chǎn)生；如在實(shí)際應(yīng)用中常用的正弦脈沖寬調(diào)制法（SPWM）和特定消諧法（SHE）。

6．結(jié)語

雖然變頻調(diào)速器在國(guó)內(nèi)應(yīng)用得很成功，也得到了用戶和專家的好評(píng)，但我們也清醒地認(rèn)識(shí)到這是一種鼓勵(lì)，實(shí)際上產(chǎn)品性能的完善、長(zhǎng)期可靠性以及減少對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的污染等還有很長(zhǎng)的路要走，我們?cè)谔岣弋a(chǎn)品竟?fàn)幜Α?a target="_blank">品牌形象時(shí)，還要進(jìn)一步優(yōu)化控制方式、完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、降低諧波污染、為各行業(yè)提供更優(yōu)良的變頻設(shè)備。只要我們一步一個(gè)腳印的把變頻事業(yè)做好做強(qiáng)，國(guó)內(nèi)民族品牌的前景一定會(huì)越來越好。