變頻器的諧波危害及解決措施

1、前言

在工業(yè)調速傳動領域中，與傳統(tǒng)的機械調速相比，用變頻器調速有諸多優(yōu)點，顧其應用非常廣泛，但由于變頻器逆變電路的開關特性，對其供電電源形成了一個典型的非線性負載，變頻器在現場通常與其它設備同時運行，例如計算機和傳感器，這些設備常常安裝得很近，這樣可能會造成相互影響。因此，以變頻器為代表的電力電子裝置是公用電網中最主要的諧波源之一，其對電力系統(tǒng)中電能質量有著重要的影響。

2、諧波產生的過程

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

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，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系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(qū)分為偶次與奇次性。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。

3、諧波危害

對于電力系統(tǒng)來說，電力諧波的危害主要表現有以下幾方面：

（1）增加輸、供和用電設備的額外附加損耗，使設備的溫度過熱，降低設備的利用率和經濟效益：

①電力諧波對輸電線路的影響：

諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當注入電網的諧波頻率位于在網絡諧振點附近的諧振區(qū)內時，對輸電線路和電力電纜線路會造成絕緣擊穿。

②電力諧波對變壓器的影響：

諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場強度，諧波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱性負荷的變壓器而言，會大大增加勵磁電流的諧波分量。

③電力諧波對電力電容器的影響：

含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時，由于電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過負荷甚至爆炸，同時諧波還可能與電容器一起在電網中造成電力諧波諧振，使故障加劇。

（2）影響繼電保護和自動裝置的工作可靠性：

特別對于電磁式繼電器來說，電力諧波常會引起繼電保護及自動裝置誤動或拒動，使其動作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。

（3）對通訊系統(tǒng)工作產生干擾：

電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時，會在鄰近電力線的通信線路中產生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在極端的情況下，還會威脅著通信設備和人員的安全。

（4）對用電設備的影響：

電力諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，并使機內的元件溫度出現過熱，使計算機及數據處理系統(tǒng)出現錯誤，嚴重甚至損害機器。

此外，電力諧波還會對測量和計量儀器的指示不準確及整流裝置等產生不良影響，它已經成為當前電力系統(tǒng)中影響電能質量的大公害。

4、諧波的治理措施

治理諧波問題，抑制輻射干擾和供電系統(tǒng)干擾，可采取屏蔽、隔離、接地及濾波等技術手段。

①使用無源濾波器或有源濾波器；

使用無源濾波器其主要是改變在特殊頻率下電源的阻抗，適用于穩(wěn)定、不改變的系統(tǒng)。而使用有源濾波器主要是用于補償非線性負載。LC濾波器是傳統(tǒng)的無源諧波抑制裝置，它由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，與諧波源并聯(lián)，除具有濾波作用外，還有無功補償的作用。

②增加變壓器的容量，減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法；

由于非線性負載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產生一個畸變電壓降，而合成的畸變電壓波形加到與此同一線路上所接的其它負載，引起諧波電流在其上流過，因此，減少諧波危害的措施也可從加大電纜截面積，減少回路的阻抗方式來實現。目前，國內較多采用提高變壓器容量，增大電纜截面積，特別是加大中性線電纜截面，以及選用整定值較大的斷路器、熔斷器等保護元件等辦法，但此種方式不能從根本上消除諧波，反而降低了保護特性與功能，又加大了投資，增加供電系統(tǒng)的隱患。

③使用無諧波污染的綠色變頻器。

綠色變頻器的品質標準是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數可控，帶任何負載時都能使功率因數為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率。變頻器內置的交流電抗器，它能很好的抑制諧波，同時可以保護整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響，實踐表明，不帶電抗器的諧波電流明顯高于帶電抗器產生的諧波電流。為了減少諧波污染造成的干擾，可在變頻器的輸出回路安裝噪聲濾波器。并且在變頻器允許的情況下，降低變頻器的載波頻率。另外，在大功率變頻器中，通常使用12脈沖或18脈沖整流，這樣在電源中，通過消除最低次諧波來減少諧波含量。例如12脈沖，最低的諧波是11次、13次、23次、25次諧波。依次類推，對于18脈沖，最低的諧波是17次和19次諧波。

變頻器中應用的低諧波技術可歸納如下：

㈠逆變單元的并聯(lián)多重化，采用2個或多個逆變單元并聯(lián)，通過波形疊加抵消諧波分量。

㈡整流電路的多重化，在PWM變頻器中采用12脈沖、18脈沖或者24脈沖的整流，以減少諧波。

㈢ 逆變單元的串聯(lián)多重化，采用30脈沖的串聯(lián)逆變單元多重化線路，其諧波可減少到很小。

㈣ 采用新的變頻調制方法，如電壓矢量的菱形調制等。目前，許，多變頻器制造廠商已非常重視諧波問題，在設計時已從技術手段上保證了變頻器的綠色化，從而在根本上解決諧波問題。

結論

綜上所述，可以清楚地了解諧波產生的原因，在具體治理上可采用無源濾波器、有源濾波器，減少回路阻抗，切斷諧波傳輸路徑及開發(fā)使用無諧波污染的綠色變頻器等方法，將變頻器產生的諧波控制在最小范圍內，達到科學合理用電，抑制電網污染，提高電源質量。

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