變頻器輸出頻率與負載率對諧波產生的影響

惠南南（浙江油田分公司質量安全環保部）

在如今整個中國石油天然氣集團公司節能降耗的大背景之下，油田生產中越來越多的應用了變頻器設備，由于其優良的節能調速特性，已成為節能降耗的有效措施，主要應用于抽油機、潛油電泵、螺桿泵、機泵等油田主要生產設備中。但同時，變頻器在使用過程中會產生諧波，對供電系統、負載等相鄰電氣設備造成不良影響，甚至引發安全事故。因此，對于變頻器產生的諧波需要進一步的研究、探討、實驗并加以治理。

1 變頻器諧波的成因與特性

1.1 變頻器諧波產生的原因

在輸入端，電壓主波形為正弦波，而電流波形為非正弦波，這是由非線性二極管組成的三相橋式整流橋的參數離散引起的[1]。變頻器輸入電壓、電流波形圖如圖1所示。

圖1 變頻器輸入電壓、電流波形圖

在輸出端，線電壓為正弦脈寬、幅值相等的窄矩形波，而相電壓為階梯波，電流接近正弦波，載波頻率越高，越接近正弦波。變頻器輸出電壓、電流波形圖如圖2所示。

圖2 變頻器輸出電壓、電流波形圖

因此，變頻器的輸入電流和輸出電壓均為非正弦波。由于存在非正弦波，所以存在諧波和諧波電壓。

1.2 變頻器諧波的特性

變頻器諧波有功功率是非線性負荷所產生的，諧波有功功率方向與基波有功功率的方向相反，是從用戶端反送入電網。對于變頻器諧波源的用戶，其計量入口處的總有功功率將是基波有功功率和諧波有功功率之代數和（實際為相減）[2]。在變頻非線性負荷的工作過程中，基波的一部分功率會轉化為諧波有功功率，諧波有功功率會流入電網，在各種輸配電元件和其他設備中產生損耗和干擾。

2 諧波的影響與危害

1）諧波對于供電電路中的無功補償設備有一定的影響，當諧波流入電網時，使得變電所高壓電容產生過電流或過負荷，從而無法確保電容設備的正常使用，情況嚴重時，電容會使得電網諧波進一步放大[3]。

2）對于旋轉發電機和電動機，由于定子繞組、轉子回路和鐵芯中存在的諧波電流或諧波電壓產生附加損耗，降低了配電系統和電氣設備的系統效率。更為嚴重的是，諧波振動容易使汽輪發電機產生振動力矩，從而引起機械共振，引起葉片變形，導致設備無法正常工作。

3）電網中存在諧波會使得測試儀器以及計量裝置產生誤差，達不到正確的指示和計量。當斷路器斷開含有諧波的電流時，斷路器的能力將大大降低，從而引起電弧重燃、斷路甚至短路爆炸。

4）諧波會使得配電系統中增加變壓器的銅損、鐵損，影響變壓器使用容量與使用效率，使得變壓器噪聲增加，使用壽命縮短[4]。

5）諧波不經處理不能自然消除，電網中的諧波電壓與諧波電流積累和疊加，導致線損增大，電力設備的過熱，加大了電力運行成本，增加了電費支出[5]。

3 變頻器諧波的測量實驗

變頻器輸入端、輸出端都是三組對稱的電壓、電流波形。按照變頻器諧波的理論，不存在“3”（3、6、9、12、15、18、21、24……）的整數倍諧波，也同樣不存在“2”（2、4、6、8、10、12、14、16……）的整數倍諧波，由此說明變頻器頻譜只存在5、7、11、13、17、19次……。

在某實驗室條件下，對型號為Y280S-8，電動機額定功率為37 kW，額定轉速為740 r/min 的電動機進行諧波實驗，配備的變頻器為油田常用的某型號變頻器。本次實驗測量的是諧波電流畸變率以及各次諧波電流含有率（即各次諧波電流與基波電流的比值）。

實驗一：將變頻器頻率設置為50 Hz，調節電動機的負載大小來進行試驗，對相同頻率情況下，不同負載情況下的電動機進行諧波實驗，負載分別為20%、40%、60%、80%、100%，實驗結果如表1所示。

表1 不同負載下電網側諧波電流總畸變率

由實驗一的結果可以看出，在相同頻率的條件下，電網側諧波電流總畸變率隨著負載率的升高而降低，當負載率為100%時，諧波電流總畸變率為最低值。

實驗二： 設定電動機的負載率為恒定（100%），在變頻器的輸出頻率分別為20、25、30、35、40、50 Hz 時分別進行諧波實驗，實驗結果如表2 所示。同時，也測量了5、7、11、13、17、19 次、23 次諧波電流含有率，實驗結果如表3所示。

表2 不同頻率下電網側諧波電流總畸變率

由實驗二可以看出，表2 中實驗數據顯示，電網側電流諧波總畸變率隨著變頻器輸出頻率的升高而降低。當頻率為50 Hz 時，諧波電流總畸變率為最低值。由表3 中實驗數據可以看出，在5、7、11次時諧波電流含有率較大，各次諧波電流含有率與變頻器輸出頻率有關。在較低輸出頻率運行時產生的諧波電流會造成電動機發熱，無功損耗增大，功率因數減小。所以諧波電流在變頻器輸出頻率較低時造成的影響更大。

表3 不同頻率下電網側分次諧波電流含有率

4 變頻器諧波的治理

目前，治理變頻器諧波問題可以采用以下方法。

1）安裝交流電抗器和直流電抗器：當變壓器容量大于500 kVA、且容量大于變頻器容量10 倍以上時，需要在變頻器輸入側安裝交流電抗器；當變壓器三相輸出電壓不平衡且不平衡率大于3%時，變頻器輸入電流峰值較大，會導致導體過熱，需要交流電抗器[6]。嚴重時，應裝設直流電抗器。

2）安裝無源濾波器：在變頻器的交流側安裝無源濾波器。無源濾波器由L、C、R三個分量構成諧波諧振環，當L、C 回路的諧波頻率與某一諧波電流的諧波頻率相同時，可以防止諧波流入電網[7]。無源濾波器具有投資少、結構簡單、運行穩定、易于維護等特點，而缺點是容易受系統參數設定的影響，有可能會將一些次諧波放大，體積較大、成本較高。

3）加裝無功功率靜止型無功補償裝置：當負載是一些沖擊負荷較大的設備時，可安裝無功功率靜態無功補償裝置，以獲得補償負荷快速變化的無功功率需求，提高功率因數、濾除系統諧波、穩定電壓、減少三相電壓不平衡，從而提高供電系統的諧波承受能力[8]。其中，自飽和電抗型的效果最好，電子元器件少、可靠性高、反應速度快、維修方便經濟，可由國內一般變壓器廠生產[9]。

4）線路分開：由于電力系統中的阻抗，諧波負載電流會引起電壓波形的畸變。將產生諧波負荷的供電線路與對諧波敏感的負荷供電線路分開[10]。線性負載和非線性負載由來自同一接口點PCC 的不同電路供電，使得非線性負載產生的畸變電壓不會傳輸到線性負載[11]。

5）電路的多重化、多元化：并聯使用兩個或兩個以上的逆變單元，通過波形移位疊加消除諧波分量[12]；多重整流電路采用12、18、24 脈波整流，減少諧波分量；串聯多重功率單元采用多脈波（如30 脈波串），而功率單元多路電路也可以減少諧波分量。

5 結語

文中分析了變頻器產生濾波的原因，并通過對比實驗分別研究了變頻器負載、變頻器頻率與變頻器諧波產生的關系，以及諧波的一些治理方法。通過科研人員的不懈努力和產品成本降低、變頻技術進步，在未來若干年內，變頻器諧波問題將得到有效解決，使變頻器也成為真正的“綠色電源”。