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摘 要 文章從諧波的概念入手，結(jié)合變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí),分析變頻器諧波產(chǎn)生的原因及其危害,在此基礎(chǔ)上提出了抑制諧波的常用方法。

關(guān)鍵詞 變頻器 諧波 危害 抑制

1 前言

在工業(yè)調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域中，與傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)速相比，用變頻器調(diào)速有諸多優(yōu)點(diǎn)，顧其應(yīng)用非常廣泛，但由于變頻器逆變電路的開關(guān)特性，對(duì)其供電電源形成了一個(gè)典型的非線性負(fù)載，變頻器在現(xiàn)場通常與其它設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，例如計(jì)算機(jī)和傳感器，這些設(shè)備常常安裝得很近，這樣可能會(huì)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(wǎng)中最主要的諧波源之一，其對(duì)電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量有著重要的影響。

2 變頻器的原理以及諧波的產(chǎn)生

變頻器是工業(yè)調(diào)速領(lǐng)域中應(yīng)用較廣泛的設(shè)備之一，目前已在企業(yè)大量使用。變頻器一般采用是交-直-交結(jié)構(gòu)（如圖1所示），它是把工頻（50Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。其中控制電路完成對(duì)主電路的控制，變頻調(diào)速裝置用于交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，調(diào)速范圍廣、節(jié)能顯著、穩(wěn)定可靠。

眾所周知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源的頻率是線性關(guān)系。變頻器就是利用這一原理將50Hz的工頻電通過整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)方向的交流電源。變頻器輸入部分為整流電路，輸出部分為逆變電路，這些都是由非線性原件組成的，在開斷過程中，其輸入端和輸出端都會(huì)產(chǎn)生高次諧波。另外變頻器輸入端的諧波還會(huì)通過輸入電源線對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生影響。

從結(jié)構(gòu)上來看，變頻器有交-直-交變頻器和交-交變頻器之分。目前應(yīng)用較多的還是交-直-交變頻器。變頻器主電路為交-直-交，外部輸入380V/50Hz工頻電源，經(jīng)三相橋式不可控整流成直流電壓，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流信號(hào)。

在電力電子裝置大量應(yīng)用以后，電力電子裝置成為最主要的諧波源。

變頻器輸入側(cè)產(chǎn)生諧波的機(jī)理：對(duì)于變頻器而言，只要是電源側(cè)有整流回路的，都將產(chǎn)生因非線性引起的諧波。以三相橋整流電路為例，交流電網(wǎng)電壓為一正弦波，交流輸入電流波形為方波，對(duì)于這個(gè)波形，按傅氏級(jí)數(shù)可分解為基波和各次諧波，通常含有6m±1(m=1,2,…)次諧波，其中高次諧波干擾電網(wǎng)。單個(gè)基波與幾個(gè)高次諧波組合一起被稱為畸波（見圖2）。

在采樣控制中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。此結(jié)論是PWM控制的重要理論基礎(chǔ)。把圖三的正弦半波分成N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈寬相等，都等于，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（沖量）相等。對(duì)于正弦波負(fù)半周用同樣辦法也可以得到PWM波形。像這種把正弦波等效的PWM波形也稱為SPWM波形（見圖3）。

變頻器輸出側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理：在逆變輸出回路中，輸出電壓和輸出電流均有諧波。由于變頻器是通過CPU產(chǎn)生6組脈寬可調(diào)的SPWM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SPWM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，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。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。

3 諧波的危害

一般來講，變頻器對(duì)容量相對(duì)較大的電力系統(tǒng)影響不很明顯，而對(duì)容量小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視，諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染，它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，給周圍的通信系統(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來危害。諧波污染對(duì)電力系統(tǒng)的危害嚴(yán)重性主要表現(xiàn)在：

（1）諧波對(duì)供電線路產(chǎn)生了附加諧波損耗。由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的浪費(fèi)；由于中性線正常時(shí)流過電流很小，故其導(dǎo)線較細(xì)，當(dāng)大量的三次諧波電流流過中性線時(shí)，會(huì)使導(dǎo)線過熱、絕緣老化、壽命縮短、損壞甚至發(fā)生火災(zāi)。

（2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。對(duì)發(fā)電機(jī)的影響除產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機(jī)械振動(dòng)和噪聲和過電壓；對(duì)斷路器，當(dāng)電流波形過零點(diǎn)時(shí)，由于諧波的存在可能造成高的di／dt，這將使開斷困難，并且延長故障電流的切除時(shí)間。

（3）諧波使電網(wǎng)中的電容器產(chǎn)生諧振。工頻下，系統(tǒng)裝設(shè)的各種用途的電容器其電路比系統(tǒng)中的感抗要大得多，不會(huì)產(chǎn)生諧振，但諧波頻率時(shí)，感抗值成倍增加而容抗值成倍減少，這就有可能出現(xiàn)諧振，諧振將放大諧波電流，導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀。

（4）諧波引起公用電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)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(yán)重事故。

（5）諧波將使繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)作，并使儀表和電能計(jì)量出現(xiàn)較大誤差；諧波對(duì)其它系統(tǒng)及電力用戶危害也很大：如對(duì)附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者出現(xiàn)噪聲，降低通信質(zhì)量，重者丟失信息，使通信系統(tǒng)無法正常工作；影響電子設(shè)備工作精度，使精密機(jī)械加工的產(chǎn)品質(zhì)量降低；設(shè)備壽命縮短，家用電器工況變壞等。

4 諧波的抑制

變頻器給人們帶來極大的方便、高效率和巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對(duì)電網(wǎng)注入了大量的諧波和無用功，使供電質(zhì)量不斷惡化。另一方面，隨著以計(jì)算機(jī)為代表的大量敏感設(shè)備的普及應(yīng)用，人們對(duì)公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求越來越高，許多國家和地區(qū)已經(jīng)制定了各自的諧波標(biāo)準(zhǔn)，以限制供電系統(tǒng)及用電設(shè)備的諧波污染。

抑制諧波的總體思路有三個(gè)：其一是裝置諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波；其二是對(duì)電力系統(tǒng)裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控為1；其三是在電網(wǎng)系統(tǒng)中采用適當(dāng)?shù)拇胧﹣硪种浦C波。具體方法有以下幾種。

4.1 選用適當(dāng)?shù)?STRONG class=keylink>電抗器

（1）輸入電抗器。在電源與變頻器輸入側(cè)之間串聯(lián)交流電抗器（見圖4），這樣可使整流阻抗增大來有效抑制高次諧波電流，減少電源浪涌對(duì)變頻器的沖擊，改善三相電源的不平衡性，提高輸入電源的功率因數(shù)（提高到0.75-0.85），這樣進(jìn)線電流的波形畸變大約降低30%~50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。

建議在下列情況下使用輸入交流電抗器：
1）變頻器所用之處的電源容量與變頻器容量之比為10：1以上；
2）同一電源上接有晶閘管設(shè)備或帶有開關(guān)控制的功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；
3）三相電源的電壓不平衡度較大（≥3％）；
由于交流電抗器體積較大，成本較高，變頻器功率＞30kW時(shí)才考慮配置交流電抗器。

（2）在直流環(huán)節(jié)串聯(lián)直流電抗器。直流電抗器串聯(lián)在直流中間環(huán)節(jié)母線中（端子+，-之間）。主要是減小輸入電流的高次諧波成分，提高輸入電源的功率因數(shù)（提高到0.95）。此電抗器可與交流電抗器同時(shí)使用，變頻器功率＞30kW時(shí)才考慮配置。

（3）輸出電抗器（電機(jī)電抗器）。由于電機(jī)與變頻器之間的電纜存在分布電容，尤其是在電纜距離較長，且電纜較粗時(shí)，變頻器經(jīng)逆變輸出后調(diào)制方波會(huì)在電路上產(chǎn)生一定的過電壓，使電機(jī)無法正常工作，可以通過在變頻器和電機(jī)間連接輸出電抗器來進(jìn)行限制（見圖5）。

4.2 選用適當(dāng)?shù)臑V波器

在變頻器輸入、輸出電路中，有許多高頻諧波電流，濾波器用于抑制變頻器產(chǎn)生的電磁干擾噪聲的傳導(dǎo)，也可抑制外界無線電干擾以及瞬時(shí)沖擊、浪涌對(duì)變頻器的干擾。根據(jù)使用位置的不同可以分為輸入濾波器和輸出濾波器。輸入濾波器有2種，線路濾波器和輻射濾波器：

（1）線路濾波器串聯(lián)在變頻器輸入側(cè)，由電感線圈組成，通過增大電路的阻抗減小頻率較高的諧波電流；在需要使用外控端子控制變頻器時(shí)，如果控制回路電纜較長，外部環(huán)境的干擾有可能從控制回路電纜侵入，造成變頻器誤動(dòng)作，此時(shí)將線路濾波器串聯(lián)在控制回路電纜上，可以消除干擾。

（2）輻射濾波器并聯(lián)在電源與變頻器輸入側(cè)，由高頻電容器組成，可以吸收頻率較高具有輻射能量的諧波成分，用于降低無線電噪聲。線路濾波器和輻射濾波器同時(shí)使用效果更好。

輸出濾波器串聯(lián)在變頻器輸出側(cè)，由電感線圈組成，可以減小輸出電流中的高次諧波成分，抑制變頻器輸出側(cè)的浪涌電壓，同時(shí)可以減小電動(dòng)機(jī)由高頻諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩。注意輸出濾波器到變頻器和電機(jī)的接線盡量縮短，濾波器亦應(yīng)盡量靠近變頻器。輸出濾波器從結(jié)構(gòu)上分LR濾波器單元和LC濾波器單元兩種類型（見圖6）。

除傳統(tǒng)的LR,LC濾波器還在應(yīng)用以外，當(dāng)前抑制諧波的重要趨勢是采用有源電力濾波器，它串聯(lián)或并聯(lián)于主電路中，實(shí)時(shí)對(duì)電流中高次諧波進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果輸入與高次諧波成分具有相反相位電流，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流目的，從而使電網(wǎng)電流只含基波電流。它與無源濾波器相比，具有高度可控性和快速響應(yīng)性，且可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振危險(xiǎn)，但存在容量大，價(jià)格高的特點(diǎn)。

對(duì)于工作性質(zhì)是節(jié)能性的（同時(shí)有調(diào)節(jié)作用）大容量的電動(dòng)機(jī)，為了改善電機(jī)的運(yùn)行工況，降低發(fā)熱量，應(yīng)考慮單獨(dú)串聯(lián)加裝電抗器。

對(duì)于工作電流較大（基本運(yùn)行在額定容量下）的電動(dòng)機(jī)，為了減少電機(jī)的發(fā)熱量、降低運(yùn)行電流，使電氣元件的運(yùn)行可靠度提高（空開、斷路器），應(yīng)單獨(dú)串聯(lián)加裝電抗器和濾波器。

對(duì)于小容量、多臺(tái)安裝的變頻裝置，單獨(dú)增加濾波設(shè)備顯然投入太大，且現(xiàn)有空間有限，則應(yīng)考慮在低壓母線上直接安裝有源濾波器。

4.3 采用多相脈沖整流

在條件允許或是要求諧波限制在比較小的情況下，可采用多相整流的方法。12相脈沖整流的畸變大約為10%～15%，18相的為3%～8%，完全滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。其缺點(diǎn)是需要專用變壓器，不利于設(shè)備的改造，成本費(fèi)用較高。

4.4 減少或削弱變頻器諧波的方法

（1）當(dāng)電機(jī)電纜長度大于50m或80m（非屏蔽）時(shí)，為了防止電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)過0電壓，在變頻器與電動(dòng)機(jī)之間安裝交流電抗器；
（2）當(dāng)設(shè)備附近環(huán)境有電磁干擾時(shí)，加裝抗射頻干擾濾波器;
（3）使用具有隔離的變壓器，可以將電源側(cè)絕大部分的傳導(dǎo)干擾隔離在變壓器之前；
（4）合理布線，屏蔽輻射，在電動(dòng)機(jī)與變頻器之間的電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜，并和其他弱電信號(hào)線分走不同的電纜溝敷設(shè)，降低線路干擾，變頻器使用專用接地線；
（5）選用具有開關(guān)電源的儀表等低壓電器；
（6）在使用單片機(jī)、PLC等為核心的控制系統(tǒng)中，在編制軟件的時(shí)候適當(dāng)增加對(duì)檢測信號(hào)和輸出控制部分的信號(hào)濾波，以增加系統(tǒng)自身的抗干擾能力。

5 結(jié)束語

變頻調(diào)速的應(yīng)用使交流傳動(dòng)上了一個(gè)新臺(tái)階，但變頻器諧波干擾的嚴(yán)重性也給設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行帶來潛在威脅，如何才能最大限度的抑制變頻器諧波產(chǎn)生仍是擺在現(xiàn)今電氣技術(shù)工作者面前有待解決的最大課題。文章從諧波的概念入手，分析變頻器諧波產(chǎn)生的原因及其危害,在此基礎(chǔ)上提出了抑制諧波的常用方法，將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍內(nèi)，達(dá)到科學(xué)合理用電，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質(zhì)量。