通用變頻器應用中的問題與抑制方法的探討

朱晶波

（長春職業技術學院汽車分院，吉林 長春130033）

1 變頻器諧波產生機理

變頻器調速技術是集自動控制、微電子、電力電子、通信等技術于一體的高科技技術。隨著科學技術的高速發展，變頻器以其具有節電、節能、可靠、高效的特性應用到了工業控制的各個領域中，保證了調節精度，減輕了工人的勞動強度，提高了經濟效益，但隨之也帶來了一些干擾問題。現場的供電和用電設備會對變頻器產生影響，變頻器運行時產生的高次諧波也會干擾周圍設備的運行。變頻器的主電路一般為交-直-交組成，外部輸入380V/50Hz的工頻電源經三相橋路不可控整流成直流電壓信號，經濾波電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可變的交流信號。在整流回路中，輸入電流的波形為不規則的矩形波，波形按傅立葉級數分解為基波和各次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統。在逆變輸出回路中，輸出電流信號是受PWM載波信號調制的脈沖波形，對于GTR大功率逆變元件，其PWM的載波頻率為2～3kHz，而IGBT大功率逆變元件的PWM最高載頻可達15kHz。同樣，輸出回路電流信號也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，而高次諧波電流對負載直接干擾。另外高次諧波電流還通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設備。

2 變頻器產生的干擾

變頻器產生的干擾主要有三種：對電子設備的干擾、對通信設備的干擾及對無線電等產生的干擾。對計算機和自動控制裝置等電子設備產生的干擾主要是感應干擾；對通信設備和無線電等產生的干擾為放射干擾。因此，以變頻器為代表的電力電子裝置是公用電網中最主要的諧波源之一，電力電子裝置所產生的諧波污染已成為阻礙電力電子技術自身發展的重大障礙。如果變頻器的干擾問題解決不好，不但系統無法可靠運行，還會影響其他電子、電氣設備的正常工作。因此有必要對變頻器應用系統中的干擾問題進行探討，以促進其進一步的推廣應用。下面主要討論變頻器的干擾及其抑制方法。

3 抑制諧波干擾常用的方法

治理諧波問題，抑制輻射干擾和供電系統干擾，可采取屏蔽，隔離，接地及濾波等技術手段。諧波的傳播途徑是傳導和輻射，解決傳導干擾主要是在電路中把傳導的高頻電流濾掉或者隔離；解決輻射干擾就是對輻射源或被干擾的線路進行屏蔽。抑制諧波干擾常用方法具體說明如下。

3．1 安裝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特殊頻率下電源的阻抗，適用于穩定、不改變的系統。而使用有源濾波器主要是用于補償非線性負載。傳統的方式多選用無源濾波器，無源濾波器出現最早，因其結構簡單、投資少、運行可靠性較高以及運行費用較低，至今仍是諧波抑制的主要手段。LC濾波器是傳統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組合而成，與諧波源并聯，除具有濾波作用外，還有無功補償的作用。這種裝置存在一些較難克服的缺點，主要是容易過載，在過載時會被損壞，可能造成功率因數達不到要求而被罰款；另外，無源濾波器不能受控，因此隨著時間的推移，配件老化或電網負載的變動，會使諧振頻率發生改變，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)，如果過濾不同的諧波頻率，則要分別用不同的濾波器，需要增加設備投資。

國內外有多種有源濾波器，這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響。有源電力濾波器(APF)理論在20世紀60年代形成，后來隨著大中功率全控型半導體器件的成熟，脈沖寬度調制(PWM)控制技術的進步以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，有源電力濾波器得以迅速發展。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流頻譜，以抵消原線路諧波源所產生的諧波，從而使電網電流只含有基波分量。其中核心部分是諧波電流發生器與控制系統，即其工作靠數字信號處理(DSP)技術控制快速絕緣雙極晶體管(1GBT)來完成。

目前，在具體的諧波治理方面，出現了無源濾波器(LC濾波器)與有源濾波器互補混合使用的方式，充分發揮LC濾波器結構簡單、易實現、成本低，有源電力濾波器補償性能好的優點，克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點，兩者結合使用，從而使整個系統獲得良好的性能。

3．2 變頻控制系統設計應該注意的問題

另外在設備安裝布置變頻器時，盡量單獨放置，把變頻器與易受干擾的弱電設備分開布置；盡量減少控制系統與變頻器的連線，以免線路傳導干擾；控制變頻調速電機一般通過自帶的控制功能實現；注意變頻器對電網的干擾，主要通過無功自動補償裝置以提高功率因數，還可通過在變頻器電源進線側加裝電抗器的方法來減少對電網的影響；還要注意限制最低轉速，在電機轉速低時，噪聲大，電機冷卻能力下降，在負載轉矩較大或滿載情況下，容易造成電機的損害或燒毀，在設計時應考慮增大額定功率或增加輔助的冷卻措施；同時注意防止發生共振現象，預先找到負載固有的共振頻率，利用變頻器頻率跳躍功能設置，遠離共振頻率點，避免設備因此出現故障。

3．3 減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法

諧波產生的根本原因是由于使用了非線性負載，因此，解決的根本辦法是把產生諧波的負載的供電線路和對諧波敏感的負載的供電線路分開。由于非線性負載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產生一個畸變電壓降，而合成的畸變電壓波形加到與此同一線路上所接的其它負載，引起諧波電流在其上流過。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實現。從分析可知，可以將線性負載與非線性負載從同一電源接口點(PCC)就開始以分別的電路供電，這樣可以使由非線性負載產生的畸變電壓不會傳導到線性負載上去。這是目前治理諧波問題較為理想的解決方案。

3．4 使用無諧波污染的綠色變頻器

綠色變頻器的品質標準是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數可控，帶任何負載時都能使功率因數為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率。變頻器內置的交流電抗器，它能很好地抑制諧波，同時可以保護整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響，實踐表明，不帶電抗器的諧波電流明顯高于帶電抗器產生的諧波電流。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。并且在變頻器允許的情況，降低變頻器的載波頻率。

對現場出現的各種變頻器高次諧波干擾，基本上都能按照以上介紹的方法順利抑制，但對諧波成分及幅度要求很嚴的設備，徹底抑制高次諧波干擾非常困難，有待進一步攻關解決。

綜上所述，可以清楚地了解諧波產生的原因，在具體治理上可切斷諧波傳輸路徑及開發使用無諧波污染的綠色變頻器等方法，將變頻器產生的諧波控制在最小范圍內，達到科學合理用電，抑制電網污染，提高電源質量。隨著新技術和新理論不斷在變頻器上的應用，變頻器應用存在的這些問題有望通過變頻器本身的功能和補償來解決。隨著工業現場和社會環境對變頻器的要求不斷提高，滿足實際需要的真正“綠色”變頻器應用會越來越廣泛。