變頻器應用中的諧波及矩陣變頻器的對策

改造者：韓靈生 葛良松

變頻器應用中的諧波及矩陣變頻器的對策

改造者：韓靈生 葛良松

變頻器在工業(yè)領域廣泛應用，但其形成的諧波對電網(wǎng)造成很大的危害。本文分析了變頻器諧波形成的原因、危害及傳統(tǒng)的治理方法，并著重分析了矩陣變頻器的原理及應用。矩陣變頻器的應用是解決變頻器諧波危害的根本辦法。

變頻器是一種可廣泛用于各行各業(yè)的通用感應電機調速裝置， 變頻器調速有諸多優(yōu)點，如調速方便，節(jié)能，易于控制等，所以應用非常廣泛。但由于傳統(tǒng)的變頻器主要為交-直-交型電壓型，需不斷地通過直流環(huán)節(jié)充放電，然后由直流逆變?yōu)榭勺兊慕涣麟娫矗詫τ诠╇娋W(wǎng)絡，變頻器是一個非線性負載。交流供電電網(wǎng)的電源電壓給變頻器供電，標準50Hz基波電流會發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波電流。其輸入輸出電壓和電流中除了基波以外，還有一定的高次諧波，而這些高次諧波的存在對變頻器周邊的設備會有不同程度的影響。同時還會通過輸入電源線對公用電網(wǎng)產(chǎn)生影響。因此，以變頻器應用帶來的諧波危害，一直是工業(yè)客戶和供電部門需解決的問題。下面就傳統(tǒng)變頻器應用的諧波產(chǎn)生，危害和治理方法進行分析，并就新型矩陣變頻器的原理應用做系統(tǒng)介紹。

變頻器諧波產(chǎn)生的過程

通用變頻器的高次諧波發(fā)生原理通用變頻器的電源所供給的交流電流經(jīng)橋式整流器整流后，用電容穩(wěn)壓成平滑的直流電供給逆變器部。為了給該平滑電容充電，交流輸入電流就會成為含高次諧波的失真波形。

電力公司供給的商用電源的頻率（50Hz）稱為基本波頻率（以下簡稱基波），此基波的整數(shù)倍（n）的頻率成分稱為n次高次諧波。基波上疊加了高次諧波的波形會發(fā)生畸變。對于三相整流負載，變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。包括整流回路的電器回路中，使用電抗、電容平滑回路時，產(chǎn)生較多的高次諧波，輸入電流波形發(fā)生畸變（如圖1所示）。

變頻器諧波產(chǎn)生的問題

變頻器產(chǎn)生的高次諧波對周邊設備會帶來的以下不良影響。

變頻器諧波會引起電網(wǎng)電源波形畸變，會對同一電網(wǎng)內的其他設備元件產(chǎn)生諧波損耗，降低了其他用電設備的使用壽命和效率。

變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過電線傳導，會對其他控制設備和開關電器產(chǎn)生不良影響，使這些設備出現(xiàn)誤動作。流入設備的高次諧波電流會造成異常聲響、振動、燒壞等事故。

變頻器諧波諧波會使電機產(chǎn)生損耗，還會產(chǎn)生機械振動、噪音、過電流和過熱，使電機效率降低和減少使用壽命。

變頻器諧波會產(chǎn)生電波噪聲，對變頻器周圍的通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，對AM收音機產(chǎn)生干擾電壓，使通訊系統(tǒng)無法正常工作。

變頻器諧波還會產(chǎn)生輻射干擾，對位置編碼器等測量和計量儀器的等產(chǎn)生不良影響。

傳統(tǒng)變頻器諧波的治理對策

圖1 基波和高次諧波

由于傳統(tǒng)變頻器的電壓和電流的波形畸變產(chǎn)生的諧波問題，傳統(tǒng)的可采取屏蔽、隔離、接地及濾波等技術手段。

將變頻器的供電電源和與其它設備的供電電源獨立分開。可在變頻器的輸入側安裝隔離變壓器，與其他設備隔離開。

加裝交流電抗器和直流電抗器：通過加裝電抗器，可以減少脈沖電流波形的峰值，增加電流的平滑度，達到改善電流波形的目的，有效抑制高次諧波。

加裝無源或有源濾波器：濾波器由L、C、R元件構成對高次諧波的共振電路，從而達到吸收高次諧波的作用。

變頻器整流電路的PWM控制，多個逆變單元并聯(lián)，通過波形移位疊加，抵消諧波分量；在傳統(tǒng)的6脈沖整流的基礎上，整流單元并聯(lián)，采用12脈沖、18脈沖、24脈沖整流，以降低諧波成分。

圖3 矩陣變頻器結構圖

矩陣變頻器的應用

傳統(tǒng)變頻器諧波的治理只能是被動治理，而如果變頻器本身能夠具有無諧波或諧波很小，則就能根本解決或大部分治理變頻器諧波的危害。而矩陣變頻器就具有下述優(yōu)點。

矩陣變頻器的原理

矩陣式變頻器（見圖2）是以PWM控制，將交流電源直接轉換為任意電壓頻率，AC-AC 直接變換的功率變換回路。三相交流電源通過LC回路的輸入濾波器，與雙方向 9個開關連接，與輸出連接，直接輸出任意電壓及頻率的AC/AC轉換裝置。與以往的通用變頻器不同的是中間沒有使用晶體管和電容的直流回路，簡單而高效率。無電容充放電而引起的高次諧波電流。電流畸變可降低到5％左右。另外，由于可以使電流往雙方向流動，因此，減速時等電機上9個雙方向開關所產(chǎn)生的制動（再生）電力可以反饋至電源側，并可在其他機械上再利用。

矩陣變頻器使用了9個半導體開關，按照PWM算法控制開關順序，并直接連接到三相電機上。每一個半導體開關由2個IGBT組成雙向開關組成，能允許正向電壓和負向電壓通到電機上。矩陣變頻器使用三相電網(wǎng)電壓輸入來控制輸出電壓，這樣能吸收任何電流雜波，同時提供了正弦的輸出電壓波形，能大幅降低輸入電流的諧波的產(chǎn)生，矩陣變頻器高次諧波只是傳統(tǒng)的交-直-交變頻器的10％以下。

從圖3可知，矩陣變頻器主回路無平滑電容，不會造成供電電壓和電流波形畸變，其輸入電流和輸出電壓均為正弦波形，與傳統(tǒng)的交交變頻器和交直交變頻器相比，具有顯著特點，可以實現(xiàn)四象限運行，可以將再生能量直接回饋電網(wǎng)，無須外部加裝諧波濾波裝置，效率高，結構緊湊，控制自由度大。所以具有更廣闊的應用前景。

矩陣變頻器的應用

由于矩陣變頻器省去了中間直流環(huán)節(jié)，無須平滑電容。能實現(xiàn)功率因數(shù)為1，且能能量回饋，實現(xiàn)四象限運行，可以實現(xiàn)變頻器本身基本無高次諧波。矩陣變頻器是一種具有優(yōu)良控制性能和發(fā)展前途的新型變頻電源。但過去十幾年，由于關鍵控制理論的技術實現(xiàn)問題，電力電子元器件功能問題和主要元器件的價格問題，市場上基本沒有市場化的產(chǎn)品。

2015年，日本安川公司已將矩陣變頻器產(chǎn)品化。安川U1000系列變頻器就是矩陣變頻器，其能實現(xiàn)輸入電流是正弦波，輸入電源高次諧波符合IEEE519（輸入THD＜5％），輸入功率因數(shù)為1。與通用變頻器因為主回路電容充放電而引起的輸入電流的畸變（高次諧波電流）不同，U1000可輕松對應高次諧波準則。其U1000系列矩陣變頻器已開始應用到起重、電梯、扶梯等其他需要連續(xù)電動又連續(xù)制動的場合。矩陣變頻器最適合應用到需要那些有要求無干擾，低諧波的應用場合，如在醫(yī)療設備，電信通訊，銀行數(shù)據(jù)中心機房等。

結語

綜上所述，分析了傳統(tǒng)變頻器諧波產(chǎn)生的原因和對周邊系統(tǒng)的危害，在具體治理上可采用屏蔽、隔離、接地及濾波等方法。但矩陣變頻器的使用將變頻器諧波控制在最小范圍內，相信隨著矩陣變頻器的產(chǎn)品化，合理的成本會促進矩陣變頻器的普遍使用，這樣才能根本上解決變頻器諧波問題，最終達到科學合理用電，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質量。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.23.018