關(guān)于使用變頻器的諧波治理方法

變頻器由于優(yōu)越的調(diào)速性能、節(jié)能效果顯著以及可以接受的價(jià)格，使它獲得廣泛應(yīng)用，但是也帶來不可忽略的不良后果，在交流輸入側(cè)，將產(chǎn)生諧波輸入到電網(wǎng)中，給電網(wǎng)造成諧波污染，嚴(yán)重時(shí)影響到用電設(shè)備的安全運(yùn)行，因此必須對諧波進(jìn)行治理或抑制。

變頻調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的意義，但是由于變頻器在輸入回路中產(chǎn)生的高次諧波電流，對供電系統(tǒng)，負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾；尤其是在高精度儀表、微電子控制系統(tǒng)等應(yīng)用中，諧波干擾問題尤為突出。

一、變頻器諧波產(chǎn)生機(jī)理

凡是在電源側(cè)有整流回路的，都將因其非線性而產(chǎn)生高次諧波。變頻器的主電路一般為交－直－交組成，外部輸入380V/50HZ的工頻電源經(jīng)晶閘管三相橋路整流成直流，經(jīng)電容器濾波后逆變?yōu)轭l率可變的交流電。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級數(shù)分解為基波和高次諧波，諧波次數(shù)通常為6N±1（N為自然常數(shù)）。如果電源側(cè)電抗充分小、換流重疊？可以忽略，那么第K次高次諧波電流的有效值為基波電流的1/K。

變頻器的諧波：

1）電流源型變頻器，變頻器前端用單相或三相橋式整流在直流側(cè)用大電感平波（像直流調(diào)速一樣），變頻器產(chǎn)生的諧波電流近似用下列公式計(jì)算； Ih=I1／h， h為第n次諧波電流，I1為負(fù)荷的基波電流。例５次諧波電流約為基波電流20%，但通用的變頻器并不采用這種電流源型的平波方案而采用電壓源型大電容平波。

2）電壓源型變頻器，采用大電容平波電壓型諧波源。變頻器前端用單相或三相橋式整流在直流側(cè)用大電容平波，變頻器網(wǎng)側(cè)諧波電流及波形由線路總等效阻抗和主電容兩端的電壓共同決定，同時(shí)受二極管整流器本身參數(shù)的影響。另外，其電流大小和波形與直流側(cè)電壓密切相關(guān)，而直流側(cè)電壓又會隨著負(fù)載變化而波動(dòng)。因此，通過解析表達(dá)式定量地計(jì)算變頻器網(wǎng)側(cè)電流比較困難，在工程上也不實(shí)用。

二、高次諧波危害

變頻器的諧波治理：

1.從表（1）可以看出，降低變頻器的諧波電流，首先要降低短路容量比RSC，交流側(cè)加裝交流進(jìn)線電抗器是降低RSC的首要方法，從上表（1）可以看出，變頻裝置接入電網(wǎng)點(diǎn)的短路功率愈大，即系統(tǒng)阻抗愈小，諧波電流愈大，設(shè)電網(wǎng)感抗為XSL，進(jìn)線電抗器的感抗為Xd，不加電抗器時(shí)連接點(diǎn)短路功率為RSC= ，而加電抗器時(shí)連接點(diǎn)短路功率為；RSC= ＜ ，即降低了RSC，從而降低了諧波電流。因此限制諧波電流的首選方法就是在變頻器的交流側(cè)加裝交流進(jìn)線電抗器。

2.采用多重脈沖整流；12相脈沖整流的電流畸變率約10%---15%，18相脈沖整流的電流畸變率約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，成本高。

3.采用無源濾波或有源濾波方法，在加裝三相進(jìn)線電抗器后仍達(dá)不到要求時(shí)，還要采用無源濾波或有源濾波方法，但有源濾波價(jià)格太高用戶難以接受，目前大多數(shù)用戶采用無源濾波方法，可以良好的效果。

4.加裝直流電抗器，直流電抗器串聯(lián)于整流橋和濾波電容之間，濾波效果好，可使COSΦ提高到0.95。

諧波問題由來已久，近年來這一問題因由于兩個(gè)因素的共同作用變得更加嚴(yán)重。這兩個(gè)因素是：工業(yè)界為提高生產(chǎn)效率和可靠性而廣泛使用變頻器等電力電子裝置，使得與晶閘管相關(guān)設(shè)備的使用迅猛增長，并伴隨著諧波源的同步增加和放大；電力用戶為改善功率因數(shù)而大量增加使用電容器組，并聯(lián)電容器以諧振的方式加重了諧波的危害。

非線形負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流注入電網(wǎng)，使變壓器低壓側(cè)諧波電壓升高，低壓側(cè)負(fù)荷由于諧波干擾而影響正常工作，另一方面諧波電壓又通過供電變壓器傳遞到高壓側(cè)干擾其它用戶。

高次諧波的危害具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

變壓器

諧波電流和諧波電壓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。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

諧波同樣使電動(dòng)機(jī)銅損和鐵損增加，溫度上升。同時(shí)諧波電流會改變電磁轉(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。

開關(guān)設(shè)備

由于諧波電流使開關(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，還會引起開關(guān)跳脫、引起誤動(dòng)作。

保護(hù)電器電流中含有的諧波會產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)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。

計(jì)量儀表

計(jì)量儀表因?yàn)橹C波會造成感應(yīng)盤產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)矩，引起誤差，降低精度，甚至燒毀線圈。

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。

計(jì)算機(jī)和一些其它電子設(shè)備，通常要求總諧波電壓畸變率（THD）小于5%，且個(gè)別諧波電壓畸變率低于3%，較高的畸變量可導(dǎo)致控制設(shè)備誤動(dòng)作，進(jìn)而造成生產(chǎn)或運(yùn)行中斷，導(dǎo)致較大的經(jīng)濟(jì)損失。

電力電纜

高頻諧波電流會在導(dǎo)體中引起集膚效應(yīng)，產(chǎn)生額外溫升增加銅耗。特別是零序的3次諧波電流在中性線中是相互疊加的，使供電系統(tǒng)中的中性線電流很大，有的中性線上的電流還會超過相電流，使中性線發(fā)熱，加速絕緣層老化，甚至引起火災(zāi)。此外當(dāng)中性線上有較大的諧波電流時(shí)，導(dǎo)線的阻抗能產(chǎn)生大的中性線電壓降，干擾各種微電子系統(tǒng)的正常工作。

電力電容器

高次諧波由于頻率增大，電容器對高次諧波阻抗減小，因過電流而導(dǎo)致溫度升高過熱、甚至損壞電容器；電容器與系統(tǒng)中的感性負(fù)荷構(gòu)成的并聯(lián)或串聯(lián)電路，還有可能發(fā)生諧波共振，放大諧波電流或電壓加重諧波的危害。經(jīng)由電容器組電容和電網(wǎng)電感形成的并聯(lián)諧振回路，可被放大到10-15倍。

三、變頻器高次諧波污染的解決途徑

高次諧波主要通過傳導(dǎo)和感應(yīng)耦合兩種方式對電源及鄰近用電設(shè)備產(chǎn)生諧波污染。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，對并聯(lián)的電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾；感應(yīng)耦合是指諧波在傳導(dǎo)的過程中，與此電源線平行敷設(shè)的導(dǎo)線又會產(chǎn)生電磁耦合，形成感應(yīng)干擾。

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中為消除變頻器高次諧波對電氣設(shè)備的干擾，主要從抑制干擾源、切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道并且避免功率補(bǔ)償電容器與系統(tǒng)諧振二個(gè)方面解決。

四、實(shí)際工程抗干擾措施應(yīng)用

隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的逐步提高，變頻器使用范圍的逐步加大，變頻器高次諧波帶來的確電磁干擾和污染問題也越來越突出，怎樣處理好變頻器系統(tǒng)的諧波干擾和污染問題也越為越突出，怎么樣處理好變頻器系統(tǒng)的諧波干擾污染成了變頻器進(jìn)一步推廣應(yīng)用，特別是在對諧波污染要求高的場所的推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

隔離措施

隔離技術(shù)是電磁兼容性中的重要技術(shù)之一。所謂干擾的隔離，是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。

（1）、在變頻器交流輸入側(cè)安裝交流電抗器，增大整流阻抗使整流重疊角增大，減小高次諧波電流。

（2）、使所有的信號線很好地絕緣，使其不可能漏電，這樣，防止由于接觸引入干擾。

（3）、將不同種類的信號線隔離鋪設(shè)（在不同一電纜槽中，劃用隔板隔開），可根據(jù)信號不同類型將其按抗噪聲干擾的能力分成幾等，單獨(dú)走電纜或電纜槽。

接地措施

接地的作用有兩類：一是保護(hù)人和設(shè)備不受損害（保護(hù)接地）；二是抑制干擾（工作接地）。正確的接地既可以使系統(tǒng)有效地抑制外來干擾，又能降低設(shè)備本身對外界的干擾。

為了使變頻控制系統(tǒng)以及與之相連的儀表均能可靠運(yùn)行并保證測量和控制精度，必須為變頻器設(shè)立可靠地工作接地。它分為電源地、信號地、模擬地（AG屏蔽地），在石化和其他防爆系統(tǒng)中還有本安地。

變頻器的各種接地在沒匯到接地匯流排前，彼此之間應(yīng)保證絕緣，避免接地干擾。

反諧振措施

諧波對連接在功率因數(shù)電路中的電容器是非常危險(xiǎn)的。電容器的電容與電網(wǎng)的電感形成了一個(gè)諧振電路，通常這個(gè)諧振電路的自諧振頻率一般位于250和500Hz之間，即在5次和7次諧波范圍內(nèi)。當(dāng)電網(wǎng)中存在的諧波頻率與自諧振頻率相近時(shí)，有可能使諧波電流放大到正常的20倍左右。受諧波影響的電網(wǎng)不能采用常規(guī)的電容器來做無功補(bǔ)償。

調(diào)諧濾波電容器組，由數(shù)段電容器及調(diào)諧電抗器組合而成，每段形成串聯(lián)共振回路，使共振頻率低于最低之諧波頻率。對含有5次以上諧波的系統(tǒng)，使用帶6%電抗器的調(diào)諧式電容器組；對含有3次以上諧波的系統(tǒng)，使用帶14%電抗器的調(diào)諧式電容器組。在基本波頻率（50Hz）下，調(diào)諧濾波電容器組呈現(xiàn)電容性，以提供無功功率；而在諧波頻率下，則呈現(xiàn)電感性，故與網(wǎng)絡(luò)不會形成并聯(lián)共振回路，亦即不會造成諧波放大。因此，調(diào)諧濾波電容器組，可安全補(bǔ)償無功功率，亦可消除低次諧波電流約30%。

濾波技術(shù)

濾波器能有效地抑制諧波的傳導(dǎo)干擾。在低壓電網(wǎng)中，當(dāng)諧波電流畸變率THD_I》10%，或諧波電壓畸變率THD_V》3%時(shí)，可考慮安裝諧波濾波器。對于不同的諧波源和電氣設(shè)備，可考慮安裝相應(yīng)的濾波設(shè)備。

當(dāng)系統(tǒng)中的變頻器是以三相六脈動(dòng)全波整流為主時(shí)，根據(jù)公式諧波次數(shù)K=6N±1，諧波以5、7次為主，通常采用并聯(lián)式5次和7次單調(diào)諧濾波器。

當(dāng)系統(tǒng)中的變頻器主要用于三相四線中的單相電路時(shí)，諧波以相序?yàn)榱愕?次諧波為主，應(yīng)該安裝并聯(lián)式3次諧波濾波器。

當(dāng)系統(tǒng)對抗干擾能力要求較高、或系統(tǒng)中諧波含量較復(fù)雜時(shí)，為減少變頻器高次諧波的污染，可在電源輸入端并聯(lián)有源濾波器。有源濾波器能有效慮除電網(wǎng)中2～50次諧波，反應(yīng)時(shí)間小于1毫秒，是目前最有效的一種濾波技術(shù)。