淺談變頻器諧波危害的治理措施

摘要：本文對變頻器產(chǎn)生的諧波問題作了較為詳細(xì)的描述，并對目前解決諧波問題的措施作了全面的分析，提出了可供參考的解決方案。

關(guān)鍵詞：交頻器 諧波危害 諧波治理

0 引言

變頻器是工業(yè)調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的設(shè)備，由于變頻器逆變電路的開關(guān)特性，對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)備經(jīng)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，電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染已成為阻礙電力電子技術(shù)自身發(fā)展的重大障礙。

1 變頻器諧波的產(chǎn)生

從結(jié)構(gòu)來看，變頻器可分為間接變頻和直接變頻兩大類。間接變頻將工頻電流通過整流器變成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換成可控頻率的交流。直接變頻器則將工頻交流變換成可控頻率的交流，沒有中間的直流環(huán)節(jié)。它的每相都是一個(gè)兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。正反兩組按一定周期相互切換，在負(fù)荷上就獲得了交變輸出的電壓U0，U0的幅值決定于各整流裝置的控制角，頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率。目前應(yīng)用較多的還是間接變頻器。間接變頻有三種不同的結(jié)構(gòu)形式：①用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調(diào)壓和調(diào)頻分別是在兩個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合。②用不控整流器整流斬波器變壓、逆變器變頻，這種變頻器整流環(huán)節(jié)用斬波器，用脈寬調(diào)壓。③用不控整流器整流，PWM逆變器同時(shí)變頻，這種變頻器只有采用可控關(guān)斷的全控式器件（如IGBT等）輸出波形才會(huì)非常逼真的正弦波。無論是哪一種的變頻器，都大量使用了晶扎管等非線性電力電子元件，不管采用哪種整流方式，變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式均不是連續(xù)的正弦波，而是以脈動(dòng)的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動(dòng)電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動(dòng)電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上，使電壓發(fā)生畸變，經(jīng)傅里葉分析可知，這種非同期正弦波電流是由于頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成。

2 變頻器諧波的危害

一般來講，變頻器對容量大的電力系統(tǒng)影響不是十分明顯，但是對于系統(tǒng)容量小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視，它對公用電網(wǎng)是一種污染，客觀的存在對公用電網(wǎng)和其它系統(tǒng)的危害大致有：

2.1 諧波使公用電網(wǎng)的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的使用率，大量的三次諧波流過中線時(shí)會(huì)使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。

2.2 諧波影響各種電氣元件的正常工作。諧波對電機(jī)的影響除引起附加損耗外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪音和過電流，使電容器、電纜等設(shè)備過熱，絕緣老化、壽命縮短以至損壞。

2.3 諧波會(huì)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，這就使上述的危害大大的增加，甚至引起嚴(yán)重事故。

2.4 諧波會(huì)對臨近的通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致通訊質(zhì)量降低，甚至信息的丟失，使通訊系統(tǒng)無法正常工作。

3 變頻器諧波的治理

3.1 安裝適當(dāng)?shù)碾娍蛊?/p>

變頻器的輸入側(cè)功率因數(shù)取決于裝置內(nèi)部的AC-DC變換電路系統(tǒng)，可利用并聯(lián)功率因數(shù)教正DC電抗器，電源側(cè)串聯(lián)AC電抗器的方法，使進(jìn)線電流的THDV大約降低30%-50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。

3.2 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非凡頻率下電源的阻抗，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(bǔ)償非線性負(fù)載。傳統(tǒng)的方式多選用無源濾波器，無源濾波器出現(xiàn)最早，因其結(jié)構(gòu)簡單、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)，主要是輕易過載，在過載時(shí)會(huì)被燒損，可能造成功率因數(shù)過引、償而被罰款；另外，無源濾波器不能受控，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。更重要的是無源濾波器只能過濾一種諧波成份(如有的濾波器只能濾除三次諧波)，假如過濾不同的諧波頻率，則要分別用不同的濾波器，增加設(shè)備投資。目前，在具體的諧波治理方面，出現(xiàn)了無源濾波器(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。

3.3 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THDV大約為10%-15%，18相脈沖整流的THDV約為3%-8%，滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。缺點(diǎn)是需要專用變壓器，不利于設(shè)備的改造，價(jià)格較高。

3.4 使用濾波模塊組件

目前市場上有很多專門用于抗傳導(dǎo)干擾的濾波模件或組件。這些濾波器具有較強(qiáng)的干擾能力，同時(shí)還具有防用電器本身的干擾傳導(dǎo)給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能，對各類用電設(shè)備有很多好處。

3.5 開發(fā)新型的變流器

大容量的變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術(shù)。幾千瓦到幾百千瓦的高功率因數(shù)整流器主要采用PWM逆變器可構(gòu)成四象限交流調(diào)速用變頻器。這種變頻器不但輸出電壓、電流為正弦波，輸入電流也為正弦波，且功率因數(shù)為1，還可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞，代表了這一技術(shù)的發(fā)展方向。

3.6 選用D-YN11接線組別的三相配電變壓器

三相變壓器中把高壓側(cè)繞組接成三角形，低壓繞組為星型且中性點(diǎn)和“11”連接以保證相電動(dòng)勢接近于正弦形，從而避免相電動(dòng)勢波形畸變的影響。此時(shí)，由地區(qū)低壓電網(wǎng)供電的220V負(fù)荷，線路電流不會(huì)超過30A，可用220V單相供電，否則應(yīng)以220/380V三相四線供電。

3.7 使用無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。并且在變頻器答應(yīng)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(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題。

4 結(jié)論

變頻器的使用給人們帶來了方便和巨大的利益，它必將更為普遍的使用。但是由于它所特有的工作方式，給公用電網(wǎng)帶來了一定的破壞，成為電網(wǎng)諧波污染源之一，所以，分析和研究抑制諧波的方法將成為一個(gè)非常重要的課題。