淺談變頻器諧波產(chǎn)生原因與抑制

林 凱

（廣西產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，廣西 南寧 530022）

目前，隨著異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的迅猛發(fā)展，變頻器因其節(jié)能效果顯著、調(diào)節(jié)方便、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但在人們享受它便捷的同時(shí)，變頻器直——交逆變器的非線性等效負(fù)荷使得變頻器在許多系統(tǒng)集成工程中不僅污染工廠供電系統(tǒng)，還直接對(duì)自動(dòng)化工程項(xiàng)目干擾，引起測(cè)控系統(tǒng)失準(zhǔn)失靈，嚴(yán)重破壞大系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至變頻器自身的電子元器件、計(jì)算機(jī)芯片受到干擾，引發(fā)“自舉”式的調(diào)速故障。變頻器的諧波干擾問(wèn)題成了人們亟待解決的問(wèn)題。

1 變頻器概述

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，由主回路、電源回路、IPM驅(qū)動(dòng)及保護(hù)回路、冷卻風(fēng)扇等幾部分組成。從結(jié)構(gòu)來(lái)看，變頻器可分為間接變頻和直接變頻兩類(lèi)。間接變頻將工頻電流通過(guò)整流器變成直流，然后再經(jīng)過(guò)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(méi)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3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；②用不控整流器整流斬波器變壓、逆變器變頻；③用不控整流器整流，脈寬調(diào)制逆變器PWM變頻。

2 諧波產(chǎn)生原因

諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。由于變頻器逆變電路的開(kāi)關(guān)特性，對(duì)其供電電源形成了一個(gè)典型的非線性負(fù)載，因此當(dāng)電流流經(jīng)變頻器時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生了諧波，見(jiàn)圖1。

圖1 諧波產(chǎn)生圖

諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉分析原理證明，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個(gè)諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次性與奇次性。在平衡的只相系統(tǒng)中，由于對(duì)稱(chēng)關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在，因此，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。

3 諧波的危害

（1）諧波對(duì)供電線路產(chǎn)生附加諧波損耗。諧波線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的浪費(fèi)；由于中性線正常時(shí)流過(guò)電流很小，故其導(dǎo)線較細(xì)，當(dāng)大量的三次諧波電流流過(guò)中性線時(shí)，會(huì)使導(dǎo)線過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短、損壞甚至發(fā)生火災(zāi)。

（2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。對(duì)發(fā)電機(jī)的影響是產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓；對(duì)于斷路器，當(dāng)電流波形過(guò)零點(diǎn)時(shí)，由于諧波的存在可能造成高的di/dt，這將使開(kāi)斷困難，并且延長(zhǎng)故障電流的切除時(shí)間。

（3）諧波會(huì)引起電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而放大諧波，危害增加，甚至引起嚴(yán)重事故。

（4）諧波會(huì)對(duì)臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致通信質(zhì)量降低、信息丟失、微處理器的系統(tǒng)程序運(yùn)行失控，使通訊系統(tǒng)無(wú)法正常工作，尤其是在海上遠(yuǎn)距離作業(yè)時(shí)影響更大，威脅著通信設(shè)備和人員的安全。

4 諧波抑制方法

4.1 使用無(wú)源或有源濾波器

（1）將無(wú)源濾波器安裝在變頻器的交流側(cè)。無(wú)源濾波器由L、C、R元件構(gòu)成諧波共振回路，當(dāng)LC回路的諧波頻率和某高次諧波電流頻率相同時(shí)，即可阻止高次諧波流入電網(wǎng)。無(wú)源濾波器投資少、頻率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便。

（2）加裝有源濾波器。加裝有源濾波器通過(guò)對(duì)電流中高次諧波進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果輸入與高次諧波成分具有相反相位的電流，以達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。與無(wú)源濾波器相比，具有高度可控性和快速響應(yīng)性，這種一機(jī)多能特點(diǎn)可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)，也可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化的諧波。

4.2 安裝適當(dāng)?shù)碾娍蛊?/h3>

在變頻器的輸入電流中頻率較低的諧波分量（5次諧波、7次諧波、11次諧波、13次諧波等）所占的比重很高，它們除了可能干擾其他設(shè)備的正常運(yùn)行之外，還因?yàn)樗鼈兿牧舜罅康臒o(wú)功功率，使線路的功率因數(shù)大而下降。在輸入電路內(nèi)串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。根據(jù)接線位置的不同，主要有交流電抗器和直流電抗器兩種。其中交流電抗器串聯(lián)在電源與變頻器的輸入側(cè)之間，直流電抗器串聯(lián)在整流橋和濾波電容器之間。

4.3 變頻器的隔離、屏蔽、接地

變頻器系統(tǒng)的供電電源與其他設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立，或在變頻器和其他用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器。或者將變頻器放入鐵箱內(nèi)，鐵箱外殼接地。同時(shí)變頻器輸出電源應(yīng)盡量遠(yuǎn)離控制電纜敷設(shè)（不小于50 mm間距），必須靠近敷設(shè)時(shí)盡量以正交角度跨越，必須平行敷設(shè)時(shí)盡量縮短平行段長(zhǎng)度（不超過(guò)1 mm），輸出電纜應(yīng)穿鋼管，將鋼管作電氣連通并可靠接地。

4.4 使用濾波模塊組件

目前市場(chǎng)上有很多專(zhuān)門(mén)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(duì)各類(lèi)用電設(shè)備有很多好處。

4.5 增加變壓器的容量，減少同路的阻抗及切斷傳輸線路法

由于非線性負(fù)載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產(chǎn)生一個(gè)畸變電壓降，而合成的畸變電壓波形加到與此同一線路上所接的其他負(fù)載，引起諧波電流在其上流過(guò)，因此，減少諧波危害的措施也可從加大電纜截面積，減少回路的阻抗方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)較多采用提高變壓器容量，增大電纜截面積，特別是加大中性線電纜截面，以及選用整定值較大的斷路器、熔斷器等保護(hù)元件等辦法，但此種方式不能從根本上消除諧波，反而降低了保護(hù)特性與功能，又加大了投資，增加供電系統(tǒng)的隱患。

4.6 使用無(wú)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，可在變頻器的輸出回路安裝噪聲濾波器。并且在變頻器允許的情況下，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(guò)消除最低次諧波來(lái)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(lèi)推，對(duì)于18脈沖，最低的諧波是17次和19次諧波。

4.7 合理布線

合理布線在相當(dāng)程度上可削弱變頻設(shè)備干擾信號(hào)的強(qiáng)度，合理布線應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：①相關(guān)資料表明，干擾信號(hào)的強(qiáng)度與被干擾控制線路和干擾源之間的距離的平分成反比。因此，各種電網(wǎng)設(shè)備的控制線路加遠(yuǎn)離變頻設(shè)備輸入、輸出電路；②兩條控制線應(yīng)相紋使用，這是因?yàn)樵趦蓷l相鄰的絞線中，通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)極性總是相反的，這樣較好地抑制了電磁感應(yīng)干擾；③由于控制線與變頻設(shè)備輸入、輸出線越是平行，電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)越嚴(yán)重，干擾信號(hào)也越強(qiáng)。控制線與變頻設(shè)備輸入、輸出線應(yīng)盡量交叉排列，最好是垂直交叉，

4.8 變頻器控制方式的完善

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化等高新技術(shù)的發(fā)展，變頻器控制方式也有很大變化，如數(shù)字控制變頻器，變頻器數(shù)字化采用單片機(jī)MCS51或80C196M及PLC為核心等，輔助以SLE4520或EPLD液晶顯示器等來(lái)實(shí)現(xiàn)更加完善的控制性能，單一的控制方式有著各自的缺點(diǎn)，如果將這些單一控制方式結(jié)合起來(lái)，可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而達(dá)到降低諧波、提高效率的功效。在編制軟件時(shí)適當(dāng)增加對(duì)檢測(cè)信號(hào)和輸出控制部分的軟件濾波，以增強(qiáng)系統(tǒng)自身的抗干擾能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，隨著變頻器使用范圍的加大，變頻器高次諧波帶來(lái)的電磁干擾和污染問(wèn)題也越來(lái)越突出，要減少諧波對(duì)供電系統(tǒng)的影響，最根本的是從產(chǎn)生諧波的源頭抓起，設(shè)法在諧波源附近防止諧波電流的產(chǎn)生，從而降低諧波電壓。解決供電系統(tǒng)中的諧波問(wèn)題，必須要供電部門(mén)、電力用戶(hù)和設(shè)備制造商三方面都以電磁兼容的思想為基本出發(fā)點(diǎn)，一方面，產(chǎn)生諧波的部門(mén)和單位要盡量限制諧波的發(fā)射水平；生產(chǎn)變頻器的廠家生產(chǎn)綠色變頻器，用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)使用綠色變頻器；另一方面，供電部門(mén)和電力用戶(hù)都要想方設(shè)法提高設(shè)備抗御諧波騷擾的能力。只有供、用、造3方面齊心協(xié)力，才能將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍之內(nèi)，以達(dá)到抑制電網(wǎng)污染、提高電能質(zhì)量的目的。

1 夏平波.變頻器的諧波干擾分析及解決方案［J］.中國(guó)科技信息，2009（10）

2 于化龍.淺析變頻器諧波產(chǎn)生的危害及解決方案［J］.煤炭工程，2009（11）

3 公維剛.淺談變頻器與諧波治理的問(wèn)題［J］.內(nèi)江科技，2009（12）