變頻器諧波治理方案

1、變頻器諧波產(chǎn)生原理

實(shí)際上不限于通用變頻器，晶閘管供電的直流電動(dòng)機(jī)、無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)等凡是在電源側(cè)有整流回路的，都將產(chǎn)生因其非線性引起的高次諧波，對(duì)通用變頻器的諧波治理就顯得尤為重要。

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(jí)數(shù)分解為基波和高次諧波，諧波次數(shù)通常為6n±1次高次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。如果出現(xiàn)電源側(cè)電抗充分小、換流重疊角“可以忽略強(qiáng)狂，那么n次高次諧波為基波電流的1/n。輸出端諧波產(chǎn)生機(jī)理：在逆變輸出回路中，輸出電流信號(hào)是受PWM載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形。輸入端諧波產(chǎn)生機(jī)理：變頻器的主電路一般為交一直一交組成，外部輸入380V/50Hz的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓，經(jīng)電容濾波及大功率晶體管開(kāi)關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流電壓。對(duì)于GTR大功率逆變?cè)銹WM的載波頻率為2～3kHz，而IGBT大功率逆變?cè)腜WM最高載頻可達(dá)15kHz。同樣，輸出回路電流信號(hào)也可分解為只含基波和其他高次諧波。

2、高次諧波危害

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(fù)載，對(duì)并聯(lián)的電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾；感應(yīng)耦合是指在傳導(dǎo)的過(guò)程中，與變頻器輸出線平行敷設(shè)的導(dǎo)線又會(huì)產(chǎn)生電磁耦合形成感應(yīng)干擾；電磁輻射是指變頻器輸出端的高次諧波還會(huì)產(chǎn)生輻射作用，對(duì)鄰近的無(wú)線電及電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。與一般無(wú)線電電磁干擾一樣，變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過(guò)傳導(dǎo)、電磁輻射和感應(yīng)耦合三種方式對(duì)電源及鄰近用電設(shè)備產(chǎn)生諧波污染。高次諧波的危害具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）開(kāi)關(guān)設(shè)備：由于諧波電流使開(kāi)關(guān)設(shè)備在起動(dòng)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(huì)引起開(kāi)關(guān)跳脫、引起誤動(dòng)作。

（2）電力電容器：當(dāng)高次諧波產(chǎn)生時(shí)由于頻率增大，電容器阻抗瞬間減小，涌人大量電流，因而導(dǎo)致過(guò)熱、甚至損壞電容器，還有可能發(fā)生共振，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。

（3）保護(hù)電器：電流中含有的諧波會(huì)產(chǎn)生額外力距，改變電器動(dòng)作特性，引起誤動(dòng)作，甚至改變其操作特性，或燒毀線圈。

（4）感應(yīng)電動(dòng)機(jī)：電流和電壓諧波同樣使電動(dòng)機(jī)銅損和鐵損增加，溫度升。同時(shí)諧波電流會(huì)改變電磁轉(zhuǎn)距，產(chǎn)生振動(dòng)力矩，使電動(dòng)機(jī)發(fā)生周期性轉(zhuǎn)速變動(dòng)，影響輸出效率，并發(fā)出噪聲。

（5）電力電子設(shè)備：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(lái)控制和操作，若電壓有諧波成分時(shí)，零交叉移動(dòng)、波形改變、以致造成許多誤動(dòng)作。

（6）計(jì)量?jī)x表：計(jì)量?jī)x表因?yàn)橹C波會(huì)造成感應(yīng)盤(pán)產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)距，引起誤差，降低精度，甚至燒毀線圈。

（7）變壓器：電流和電壓諧波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)生共振及噪聲等。

另外，高次諧波還會(huì)對(duì)電腦、通信設(shè)備、電視及音響設(shè)備、載波遙控設(shè)備等產(chǎn)生干擾，使通信中斷，產(chǎn)生雜訊，甚至發(fā)生誤動(dòng)作，另外還會(huì)對(duì)照明設(shè)備產(chǎn)生影響。

3、抑制變頻器高次諧波治理

1.對(duì)于變頻器輸出側(cè)高次諧波治理

降低PWM控制的輸出波形中所含有的交流諧波成分帶來(lái)的磁雜訊技術(shù)已越來(lái)越多地在各種變頻器中得到應(yīng)用，如采用更高頻率的開(kāi)關(guān)元件、變頻器輸出端加裝濾波裝置，用隨機(jī)法調(diào)節(jié)切換頻率和閉環(huán)控制改善高次諧波。

2.對(duì)于變頻器輸入側(cè)高次諧波治理

（1）在變頻器交流輸入側(cè)設(shè)置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。

（2）在電力回路中并聯(lián)使用交流濾波裝置，能將來(lái)自變頻器的高次諧波分量與電源系統(tǒng)分流。

（3）對(duì)于裝設(shè)多臺(tái)變頻器的場(chǎng)合，可各配專用的變壓器，利用輸入變壓器相位錯(cuò)開(kāi)的方法抑制高次諧波。

3.使用無(wú)源濾波器或有源濾波器

使用無(wú)源濾波器其主要是改變?cè)谔厥忸l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(bǔ)償非線性負(fù)載。

傳統(tǒng)的方式多選用無(wú)源濾波器，無(wú)源濾波器出現(xiàn)最早，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、運(yùn)行可靠性較高以及運(yùn)行費(fèi)用較低，至今仍是諧波抑制的主要手段。LC濾波器是傳統(tǒng)的無(wú)源諧波抑制裝置，它由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，與諧波源并聯(lián)，除具有濾波作用外，還有無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩＿@種裝置存在一些較難克服的缺點(diǎn)，主要是容易過(guò)載，在過(guò)載時(shí)會(huì)被燒損，可能造成功率因數(shù)過(guò)引、償而被罰款；另外，無(wú)源濾波器不能受控，因此隨著時(shí)間的推移，配件老化或電網(wǎng)負(fù)載的變動(dòng)，會(huì)使諧振頻率發(fā)生改變，濾波效果下降。更重要的是無(wú)源濾波器只能過(guò)濾一種諧波成份（如有的濾波器只能濾除三次諧波），如果過(guò)濾不同的諧波頻率，則要分別用不同的濾波器，增加設(shè)備投資。

國(guó)內(nèi)外有多種有源濾波器，這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。有源電力濾波器（APF）理論在20世紀(jì)60年代形成，后來(lái)著大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟，脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制技術(shù)的進(jìn)步以及基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)方法的提出，有源電力濾波器得以迅速發(fā)展。其基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流頻譜， 以抵消原線路諧波源所產(chǎn)生的諧波，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。其中核心部分是諧波電流發(fā)生器與控制系統(tǒng)，即其工作靠數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)控制快速絕緣雙極晶體管（1GBT）來(lái)完成。

目前，在具體的諧波治理方面， 出現(xiàn)了無(wú)源濾波器（LC濾波器）與有源濾波器互補(bǔ)混合使用的方式，充分發(fā)揮LC濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、成本低，有源電力濾波器補(bǔ)償性能好的優(yōu)點(diǎn)，克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點(diǎn)，兩者結(jié)合使用，從而使整個(gè)系統(tǒng)獲得良好的性能。

4.減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法

諧波產(chǎn)生的根本原因是由于使用了非線性負(fù)載，因此，解決的根本辦法是把產(chǎn)生諧波的負(fù)載的供電線路和對(duì)諧波敏感的負(fù)載的供電線路分開(kāi)（如圖2所示）。由于非線性負(fù)載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產(chǎn)生一個(gè)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(fù)載，引起諧波電流在其上流過(guò)（如圖3所示）。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(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)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(hù)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(hù)特性與功能，又加大了投資，增加供電系統(tǒng)的隱患。從圖2中可知，可以將線性負(fù)載與非線性負(fù)載從同一電源

接口點(diǎn)（PCC）就開(kāi)始分別的電路供電，這樣可以使由非線性負(fù)載產(chǎn)生的畸變電壓不會(huì)傳導(dǎo)到線性負(fù)載上去。這是目前治理諧波問(wèn)題較為理想的解決方案。

5.使用無(wú)諧波污染的綠色變頻器

綠色變頻器的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負(fù)載時(shí)都能使功率因數(shù)為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率。變頻器內(nèi)置的交流電抗器，它能很好的抑制諧波，同時(shí)可以保護(hù)整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響，實(shí)踐表明，不帶電抗器的諧波電流明顯高于帶電抗器產(chǎn)生的諧波電流。為了減少諧波污染造成的干擾，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，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(guò)消除最低次諧波來(lái)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(duì)于18脈沖，最低的諧波是17次和19次諧波。

變頻器中應(yīng)用的低諧波技術(shù)可，歸納如下：①逆變單元的并聯(lián)多重化，采用2個(gè)或多個(gè)逆變單元并聯(lián)，通過(guò)波形疊加抵消諧波分量。②整流電路的多重化，在PWM變頻器中采用121脈沖、18脈沖或者24脈沖的整流，以減少諧波。③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。 ④ 采用新的變頻調(diào)制方法，如電壓矢量的菱形調(diào)制等。目前，許多變頻器制造廠商已非常重視諧波問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)已從技術(shù)手段上保證了變頻器的綠色化，從而在根本上解決諧波問(wèn)題。

6.不管采用何種方法，都不可能完全解決高次諧波治理問(wèn)題，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中為消除變頻器高次諧波對(duì)電氣設(shè)備的干擾，主要從傳導(dǎo)、輻射和耦合三個(gè)方面解決?？偟脑瓌t是抑制和切斷干擾源、切斷干擾對(duì)系統(tǒng)的耦合通道和降低對(duì)干擾信號(hào)的敏感性。解決傳導(dǎo)干擾主要是在電路中把傳導(dǎo)的高頻電流濾掉或者隔離掉，解決輻射干擾就是對(duì)輻射源或被干擾的線路進(jìn)行屏蔽，解決耦合干擾就是合理布置干擾源和被干擾線路的距離、走向，避免耦合產(chǎn)生。

除了采用諸如隔離、屏蔽、接地、合理布線等抑制干擾傳播的技術(shù)方法以外，還可以采取回避和疏導(dǎo)的技術(shù)處理，如濾波、吸收和旁路等等，這些回避和疏導(dǎo)技術(shù)簡(jiǎn)單而巧妙，有時(shí)可以代替成本費(fèi)用昂貴而質(zhì)量體積較大的硬件措施，收到事半功倍的效果。

高次諧波治理與并聯(lián)電容器組的混合補(bǔ)償技術(shù)方案不但充分利用了企業(yè)原有的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，而且發(fā)揮了有源濾波裝置補(bǔ)償小容量諧波的高性能、低成本特點(diǎn)，因而具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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