變頻器諧波干擾及其防治措施

何春輝

大連東浩熱力有限公司

變頻器諧波干擾及其防治措施

何春輝

大連東浩熱力有限公司

變頻器因其體積小、重量輕、成本低及效率高等優點在各生產領域中倍受青睞，特別是在風機、水泵等傳動系統中得到了廣泛應用。變頻器的應用雖然產生了顯著的節能效益，但隨之而來的諧波問題不容忽視。諧波電流注入電網，不僅增加輸電線的損耗，縮短輸電線壽命，而且還會使熔斷器在沒有超過整定值時就熔斷，增加旋轉電動機的損耗、增大電動機噪聲、產生脈動轉矩，造成繼電保護、自動裝置工作紊亂，由于容抗對諧波的擴大作用，很小的諧波電壓就可以引起很大的諧波電流，導致電容器因過流而損壞。諧波危害日趨嚴重，諧波電流污染已經成為影響供電質量的重要問題。

變頻器；諧波；防治措施

1 變頻器諧波的產生

變頻器主要由整流電路、逆變電路及控制電路組成，其中整流電路和逆變電路由電力電子器件組成。電力電子器件具有非線性特性，當變頻器運行時，它要進行快速開關動作，這樣就會產生高次諧波。從結構來看，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，沒有中間的直流環節。它的每相都是一個兩組晶閘管整流裝置反并聯的可逆線路，正反兩組按一定周期相互切換，在負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。

目前應用較多的還是間接變頻器。間接變頻有三種不同的結構形式：

1)用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調壓和調頻分別是在兩個環節上進行，兩者要在控制電路上協調配合。2)用不控整流器整流斬波器變壓、逆變器變頻，這種變頻器整流環節用斬波器，用脈寬調壓。3)用不控整流器整流，PWM逆變器同時變頻，這種變頻器只有采用可控關斷的全控式器件(如IGBT等)輸出波形非常逼真的正弦波。

無論是何種變頻器，都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件，不管采用哪種整流方式，變頻器從電網中吸取能量的方式均不是連續的正弦波，而是以脈動的斷續方式向電網索取電流，這種脈動電流和電網的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網的電壓上，使電壓發生畸變，經傅里葉分析可知，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 諧波的危害

變頻器諧波污染的危害主要集中在以下三個方面：①變頻器諧波導致電力系統損耗增加。根據集膚效應和臨近效應可知，頻率越大，線路阻抗越大，由諧波帶來的損耗就會增加，由此會引起附加的銅損和線路的額外溫升。諧波使得供用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電和用電設備的效率。對于供電線路來講，發熱和溫升會導致線路絕緣層的老化，輕則影響線路的供電質量，縮短了電線使用壽命，重則引發火災、觸電等安全事故，該危害是不容忽視的。②高次諧波會嚴重影響電容器組的正常工作。由電路原理知識可知，頻率越大，電容器的阻抗值越大，高次諧波作用下電容器的阻抗值遠小于電容器在基波作用下的阻抗值，因此，相對于電壓波形畸變來講，電流波形畸變的程度更加嚴重；尤其是電網中電感和電容器組成串并聯形式，在恰當的諧波頻率出會產生串并聯諧波共振，此種情況下即使很小的諧波電壓也會產生很大的諧波電流，例如對于由電網感性負荷和電容器組構成的并聯諧振回路中，諧波電流會被放大大約10～15倍，由此電容器處于嚴重的過負荷工作狀態，長時間處于這一狀態時會影響電容器的使用壽命，同時大電流會引起震動和噪聲。③諧波會對電氣設備造成嚴重影響。當諧波注入電網時，會導致旋轉電機、變壓器等電器設備產生噪聲、發熱嚴重，降低其工作效率，影響正常工作，縮短使用壽命甚至損壞設備；此外，諧波干擾還會影響計量設備和指示設備的計量指示精度，加大了誤差。④變頻器還會對電子設備和通信設備產生干擾。具體來講，變頻器會對計算機和自動控制裝置造成感應干擾，對無線電通信設備產生輻射干擾，從而影響弱電設備的正常工作，引發誤動作。由以上可知，變頻器應用于電力系統時，會對電力系統造成嚴重的諧波干擾問題，要求我們針對此提出科學合理的解決方案。

3 變頻器諧波的治理方法

3.1 變頻器的隔離、屏蔽、接地

變頻器系統的供電電源與其它設備的供電電源相互獨立，或在變頻器和其它用電設備的輸入側安裝隔離變壓器。或者將變頻器放入鐵箱內，鐵箱外殼接地。同時變頻器輸出電源應盡量遠離控制電纜敷設(不小于50mm間距)，必須靠近敷設時盡量以正交角度跨越，必須平行敷設時盡量縮短平行段長度(不超過1mm)，輸出電纜應穿鋼管并將鋼管作電氣連通并可靠接地。

3.2 加裝交流電抗器和直流電抗器

當變頻器使用在配電變壓器容量大于500kVA，且變壓器容量大于變頻器容量的10倍以上，則在變頻器輸入側加裝交流電抗器。而當配電變壓器輸出電壓三相不平衡，且不平衡率大于3%時，變頻器輸入電流峰值很大，會造成導線過熱，則此時需加裝交流電抗器。嚴重時則需加裝直流電抗器。

3.3 加裝無源濾波器

將無源濾波器安裝在變頻器的交流側，無源濾波器由L、C、R元件構成諧波共振回路，當Lc回路的諧波頻率和某高次諧波電流頻率相同時，即可阻止高次諧波流入電網。無源濾波器特點是：投資少，頻率高，結構簡單，運行可靠及維護方便。無源濾波器缺點是：濾波易受系統參數的影響，對某些諧波有放大的可能、耗費多、體積大。

3.4 加裝有源濾波器

早在20世紀70年代初，日本學者就提出有源濾波器的概念，有源濾波器通過對電流中高次諧波進行檢測，根據檢測結果輸入與高次諧波成分具有相反相位的電流，達到實時補償諧波電流的目的。與無源濾波器相比具有高度可控性和快速響應性，有一機多能特點。且可消除與系統阻抗發生諧振的危險。也可自動跟蹤補償變化的諧波。但存在容量大，價格高等問題。

3.5 加裝無功功率靜止型無功補償裝置

對于大型沖擊性負荷，可裝設無功功率的靜止型無功補償裝置，以獲得補償負荷快速變動的無功需求，改善功率因數，濾除系統諧波，減少向系統注入諧波電流，穩定母線電壓，降低三相電壓不平衡度，提高供電系統承受諧波的能力。而其中以自飽和電抗型(SR型)的效果最好，其電子元件少，可靠性高，反應速度快，維護方便經濟，且我國一般變壓器廠均能制造。

結語

變頻調速的應用使交流傳動上了一個新臺階，變頻器的使用給人們帶來了方便和利益同時，變頻器諧波干擾的嚴重性也給設備穩定可靠運行帶來潛在威脅，造成公用電網破壞，成為電網諧波污染源之一，所以，最大限度地抑制變頻器諧波產生仍是有待解決的大課題。

[1]邵興華.變頻器干擾問題及其防治措施[J].科技風，2010，20：198.

[2]杜文蛟.通用變頻器應用中的諧波問題及其應對措施[J].農業科技與裝備，2012，07：52-54.