淺談變頻器諧波危害及解決

淺談變頻器諧波危害及解決摘要：本文從諧波的概念入手，結(jié)合變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí),分析變頻器諧波產(chǎn)生的原因及其危害,在此基礎(chǔ)上提出了抑制諧波的常用方法.

關(guān)鍵字：變頻器諧波危害抑制一、引言：采用變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng),因其節(jié)能效果顯著、調(diào)節(jié)方便維護(hù)簡單，而在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，在人們享受它便捷的同時(shí)，變頻器帶來的干擾問題受到越來越多的技術(shù)人員關(guān)注。世界許多國家都對(duì)諧波問題發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)，由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。世界各國所制定的諧波標(biāo)準(zhǔn)大都比較接近。我國國家技術(shù)監(jiān)督局于1993年發(fā)布了中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，該標(biāo)準(zhǔn)自1994年3月1日起開始實(shí)施。二、變頻器原理及其諧波的產(chǎn)生變頻器是工業(yè)調(diào)速領(lǐng)域中應(yīng)用較廣泛的設(shè)備之一，目前已在石化企業(yè)大量使用。變頻器一般采用是交-直-交結(jié)構(gòu)（如圖一所示），它是把工頻（50HZ）變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。其中控制電路完成對(duì)主電路的控制，變頻調(diào)速裝置用于交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，調(diào)速范圍廣、節(jié)能顯著、穩(wěn)定可靠。?（圖一）一般通用變頻器為交－直－交結(jié)構(gòu)眾所周知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源的頻率是線性關(guān)系。變頻器就是利用這一原理將50Hz的工頻電通過整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)方向的交流電源。變頻器輸入部分為整流電路，輸出部分為逆變電路，這些都是由非線性原件組成的，在開斷過程中，其輸入端和輸出端都會(huì)產(chǎn)生高次諧波。另外變頻器輸入端的諧波還會(huì)通過輸入電源線對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生影響。從結(jié)構(gòu)上來看，變頻器有間接變頻器和直接變頻器之分。目前應(yīng)用較多的還是間接變頻器。間接變頻器主電路為交-直-交，外部輸入380V/50HZ工頻電源，經(jīng)三相橋式不可控整流成直流電壓，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流信號(hào)。在電力電子裝置大量應(yīng)用以后，電力電子裝置成為最主要的諧波源。變頻器輸入側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理：對(duì)于變頻器而言，只要是電源側(cè)有整流回路的，都將產(chǎn)生因非線性引起的諧波。以三相橋整流電路為例，交流電網(wǎng)電壓為一正弦波，交流輸入電流波形為方波，對(duì)于這個(gè)波形，按傅氏級(jí)數(shù)可分解為基波和各次諧波，通常含有6m±1(m=1,2,…)次諧波，其中高次諧波干擾電網(wǎng)。單個(gè)基波與幾個(gè)高次諧波組合一起被稱為畸波（如圖二）。

（圖二）基波與高次諧波畸波

（圖三）PWM控制的基本原理示意圖在采樣控制中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。此結(jié)論是PWM控制的重要理論基礎(chǔ)。把圖三a的正弦半波分成N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈寬相等，都等于，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（沖量）相等，就得到了圖三b所示脈沖序列，這就是PWM波形。對(duì)于正弦波負(fù)半周用同樣辦法也可以得到PWM波形。像這種把正弦波等效的PWM波形也稱為SPWM波形。變頻器輸出側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理：在逆變輸出回路中，輸出電壓和輸出電流均有諧波。由于變頻器是通過CPU產(chǎn)生6組脈寬可調(diào)的SPWM波控制三相的6組功率元件導(dǎo)通/關(guān)斷，從而形成電壓、頻率可調(diào)的三相輸出電壓。其輸出電壓和輸出電流是由SPWM波和三角載波的交點(diǎn)產(chǎn)生的，不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，如電壓型變頻器，其輸出電壓波形為方形波，用傅氏級(jí)數(shù)分解電壓方波和電流正弦鋸齒波可分析出包含較強(qiáng)的高次諧波成分，高次諧波對(duì)設(shè)備產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾，甚至造成設(shè)備不能使用，周圍儀器信號(hào)失真。諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(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)生諧波。三、諧波的危害一般來講，變頻器對(duì)容量相對(duì)較大的電力系統(tǒng)影響不很明顯，而對(duì)容量小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視，諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染，它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，給周圍的通信系統(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來危害。諧波污染對(duì)電力系統(tǒng)的危害嚴(yán)重性主要表現(xiàn)在：（1）諧波對(duì)供電線路產(chǎn)生了附加諧波損耗。由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使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中性線時(shí)，會(huì)使導(dǎo)線過熱、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)的影響除產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機(jī)械振動(dòng)和噪聲和過電壓；對(duì)斷路器，當(dāng)電流波形過零點(diǎn)時(shí)，由于諧波的存在可能造成高的di／dt，這將使開斷困難，并且延長故障電流的切除時(shí)間。（3）諧波使電網(wǎng)中的電容器產(chǎn)生諧振。工頻下，系統(tǒng)裝設(shè)的各種用途的電容器其電路比系統(tǒng)中的感抗要大得多，不會(huì)產(chǎn)生諧振，但諧波頻率時(shí)，感抗值成倍增加而容抗值成倍減少，這就有可能出現(xiàn)諧振，諧振將放大諧波電流，導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀。（4）諧波引起公用電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使上述危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。（5）諧波將使繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)作，并使儀表和電能計(jì)量出現(xiàn)較大誤差；諧波對(duì)其他系統(tǒng)及電力用戶危害也很大：如對(duì)附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者出現(xiàn)噪聲，降低通信質(zhì)量，重者丟失信息，使通信系統(tǒng)無法正常工作；影響電子設(shè)備工作精度，使精密機(jī)械加工的產(chǎn)品質(zhì)量降低；設(shè)備壽命縮短，家用電器工況變壞等。四、諧波研究的意義諧波研究的意義，首先是因?yàn)橹C波的危害十分嚴(yán)重。各種諧波源產(chǎn)生的諧波給電力系統(tǒng)造成巨大的污染，影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、包括系統(tǒng)本身的廣大用戶，而且其污染影響的范圍很廣、距離很遠(yuǎn)，可能遠(yuǎn)比一個(gè)工廠對(duì)大氣環(huán)境的污染范圍還要大、距離還要遠(yuǎn)。諧波研究的意義，還在于其對(duì)電力電子技術(shù)自身發(fā)展的影響。電力電子技術(shù)是未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要支柱。然而，電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染已成為阻礙電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙，它迫使電力電子領(lǐng)域的研究人員必須對(duì)諧波問題進(jìn)行更為有效的研究。諧波研究更可以上升到從治理環(huán)境污染、維護(hù)"綠色電網(wǎng)"的角度來認(rèn)識(shí)。對(duì)電力系統(tǒng)這個(gè)環(huán)境來說，無諧波就是"綠色"的主要標(biāo)志之一。在電力電子技術(shù)領(lǐng)域，要求實(shí)施"綠色電力電子"的呼聲日益高漲。目前，對(duì)地球的環(huán)境保護(hù)已成為全人類的共識(shí)。對(duì)電力系統(tǒng)諧波污染的治理已成為電工學(xué)科技術(shù)界所必須解決的問題。諧波研究的意義還在于對(duì)電能質(zhì)量這一概念的理解。諧波電壓限值、公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）的限值見下表電網(wǎng)標(biāo)稱電壓（KKV）電壓總諧波畸變率率（%）各次諧波電壓含有有率（%）奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.010353.02.41.2供電系統(tǒng)中，認(rèn)為電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓波形為共頻正弦波，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其中：電路中，線性無源元件上的電壓和電流一般具有比例（u=Ri）、微分()和積分()的關(guān)系。正弦周期函數(shù)在進(jìn)行加減乘除和微分、積分的運(yùn)算時(shí)，仍保持正弦函數(shù)的特點(diǎn)，所以要求電網(wǎng)盡可能由正弦波形的電源供電。但由于非線性負(fù)載的存在，電網(wǎng)電壓往往偏離正弦波形而發(fā)生畸變?；儾ㄐ慰梢杂梢幌盗胁煌l率的正弦函數(shù)之和來表示：將sinω1t項(xiàng)稱為基波，其周期與未發(fā)生畸變的波形的周期相同，在電網(wǎng)中就是工頻電壓的周期；其它各項(xiàng)均稱為諧波。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍，所以稱sin3ω1t項(xiàng)為三次諧波，sin5ω1t項(xiàng)為五次諧波……。通常將各奇次的諧波統(tǒng)稱為奇次諧波，偶次的諧波稱為偶次諧波。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更大。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對(duì)稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。但是，以現(xiàn)在的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件要將產(chǎn)生的高次諧波全部消滅是困難的。當(dāng)前必須把高次諧波發(fā)生側(cè)和受到高次諧波干擾的裝置側(cè)協(xié)調(diào)起來，作為系統(tǒng)的整體實(shí)施在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上是最有效的對(duì)策。五、諧波的抑制變頻器給人們帶來極大的方便、高效率和巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對(duì)電網(wǎng)注入了大量的諧波和無用功，使供電質(zhì)量不斷惡化。另一方面，隨著以計(jì)算機(jī)為代表的大量敏感設(shè)備的普及應(yīng)用，人們對(duì)公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求越來越高，許多國家和地區(qū)已經(jīng)制定了各自的諧波標(biāo)準(zhǔn)，以限制供電系統(tǒng)及用電設(shè)備的諧波污染。抑制諧波的總體思路有三個(gè)：其一是裝置諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波；其二是對(duì)電力系統(tǒng)裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控為1；其三是在電網(wǎng)系統(tǒng)中采用適當(dāng)?shù)拇胧﹣硪种浦C波。具體方法有以下幾種：1.選用適當(dāng)?shù)碾娍蛊?。?）輸入電抗器。在電源與變頻器輸入側(cè)之間串聯(lián)交流電抗器（圖四），這樣可使整流阻抗增大來有效抑制高次諧波電流，減少電源浪涌對(duì)變頻器的沖擊，改善三相電源的不平衡性，提高輸入電源的功率因數(shù)（提高到0.75-0.85），這樣進(jìn)線電流的波形畸變大約降低30%~50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。（圖四）串聯(lián)交流電抗器建議在下列情況下使用輸入交流電抗器：a)變頻器所用之處的電源容量與變頻器容量之比為10：1以上；b)同一電源上接有晶閘管設(shè)備或帶有開關(guān)控制的功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；c)三相電源的電壓不平衡度較大（≥3％）；由于交流電抗器體積較大，成本較高，變頻器功率＞30kW時(shí)才考慮配置交流電抗器。（2）在直流環(huán)節(jié)串聯(lián)直流電抗器。直流電抗器串聯(lián)在直流中間環(huán)節(jié)母線中（端子+，-之間）。主要是減小輸入電流的高次諧波成分，提高輸入電源的功率因數(shù)（提高到0.95）。此電抗器可與交流電抗器同時(shí)使用，變頻器功率＞30kW時(shí)才考慮配置。（3）輸出電抗器（電機(jī)電抗器）。由于電機(jī)與變頻器之間的電纜存在分布電容，尤其是在電纜距離較長，且電纜較粗時(shí)，變頻器經(jīng)逆變輸出后調(diào)制方波會(huì)在電路上產(chǎn)生一定的過電壓，使電機(jī)無法正常工作，可以通過在變頻器和電機(jī)間連接輸出電抗器來進(jìn)行限制（圖五）。圖五串聯(lián)輸出電抗器2.選用適當(dāng)濾波器。在變頻器輸入、輸出電路中，有許多高頻諧波電流，濾波器用于抑制變頻器產(chǎn)生的電磁干擾噪聲的傳導(dǎo)，也可抑制外界無線電干擾以及瞬時(shí)沖擊、浪涌對(duì)變頻器的干擾。根據(jù)使用位置的不同可以分為輸入濾波器和輸出濾波器。輸入濾波器有2種，線路濾波器和輻射濾波器：（1）線路濾波器串聯(lián)在變頻器輸入側(cè)，由電感線圈組成，通過增大電路的阻抗減小頻率較高的諧波電流；在需要使用外控端子控制變頻器時(shí)，如果控制回路電纜較長，外部環(huán)境的干擾有可能從控制回路電纜侵入，造成變頻器誤動(dòng)作，此時(shí)將線路濾波器串聯(lián)在控制回路電纜上，可以消除干擾。（2）輻射濾波器并聯(lián)在電源與變頻器輸入側(cè)，由高頻電容器組成，可以吸收頻率較高具有輻射能量的諧波成分，用于降低無線電噪聲。線路濾波器和輻射濾波器同時(shí)使用效果更好。輸出濾波器串聯(lián)在變頻器輸出側(cè)，由電感線圈組成，可以減小輸出電流中的高次諧波成分，抑制變頻器輸出側(cè)的浪涌電壓，同時(shí)可以減小電動(dòng)機(jī)由高頻諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩。注意輸出濾波器到變頻器和電機(jī)的接線盡量縮短，濾波器亦應(yīng)盡量靠近變頻器。輸出濾波器從結(jié)構(gòu)上分LR濾波器單元和LC濾波器單元兩種類型（圖六）。（圖六）LR濾波器單元LC濾波器單元除傳統(tǒng)的LR,LC濾波器還在應(yīng)用以外，當(dāng)前抑制諧波的重要趨勢(shì)是采用有源電力濾波器，它串聯(lián)或并聯(lián)于主電路中，實(shí)時(shí)對(duì)電流中高次諧波進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果輸入與高次諧波成分具有相反相位電流，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流目的，從而使電網(wǎng)電流只含基波電流。它與無源濾波器相比，具有高度可控性和快速響應(yīng)性，且可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振危險(xiǎn)，但存在容量大，價(jià)格高的特點(diǎn)。對(duì)于工作性質(zhì)是節(jié)能性的（同時(shí)有調(diào)節(jié)作用）大容量的電動(dòng)機(jī)，如酮苯兩臺(tái)132KW的電動(dòng)機(jī)（酮苯泵360和312），為了改善電機(jī)的運(yùn)行工況，降低發(fā)熱量，應(yīng)考慮單獨(dú)串聯(lián)加裝電抗器。對(duì)于工作電流較大（基本運(yùn)行在額定容量下）的電動(dòng)機(jī)如三催化五臺(tái)132～160KW（三催花JG1～JG5），為了減少電機(jī)的發(fā)熱量、降低運(yùn)行電流，使電氣元件的運(yùn)行可靠度提高（空開、斷路器），應(yīng)單獨(dú)串聯(lián)加裝電抗器和濾波器。對(duì)于類似于酮苯過濾機(jī)變頻器（酮苯過濾301～313，401～406）這樣的小容量、多臺(tái)安裝的變頻裝置，單獨(dú)增加濾波設(shè)備顯然投入太大，且現(xiàn)有空間有限，則應(yīng)考慮在低壓母線上直接安裝有源濾波器。3.采用多相脈沖整流。在條件允許或是要求諧波限制在比較小的情況下，可采用多相整流的方法。12相脈沖整流的畸變大約為10%～15%，18相的為3%～8%，完全滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。其缺點(diǎn)是需要專用變壓器，不利于設(shè)備的改造，成本費(fèi)用較高；4.開發(fā)新型的變頻器?，F(xiàn)在許多廠家提出生產(chǎn)名為“綠色變頻器”該變頻器品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：輸出和輸入都為正弦波，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負(fù)載都能使功率因數(shù)為1，可獲工頻上下任意可控的輸出頻率。變頻器內(nèi)置的交流電抗器能有效抑制諧波，同時(shí)可以保護(hù)整流橋不受電源電壓瞬間尖波影響。5.選用D-YN11接線組別的三相配電變壓器。三相變壓器中把高壓側(cè)繞組接成三角形，低壓繞組為星型且中性點(diǎn)和“11”連接以保證相電動(dòng)勢(shì)接近于正弦形，從而避免了相電動(dòng)勢(shì)波形畸變的影響。此時(shí)，由地區(qū)低壓電網(wǎng)供電的220V負(fù)荷，線路電流不會(huì)超過30A，可用220V單相供電，否則應(yīng)以220/380V三相四線供電；目前我廠部分變壓器（6000V/400V）變壓器的接線方式為Y/Y0－12方式，今后如果需要在這些變壓器下大批量增加變頻裝置，則需要考慮更換變壓器以減少諧波對(duì)6000V系統(tǒng)的影響。減少或削弱變頻器諧波的方法還有：（1）當(dāng)電機(jī)電纜長度大于50米或80米（非屏蔽）時(shí)，為了防止電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)過0電壓，在變頻器與電動(dòng)機(jī)之間安裝交流電抗器；（2）當(dāng)設(shè)備附近環(huán)境有電磁干擾時(shí)，加裝抗射頻干擾濾波器（3）使用具有隔離的變壓器，可以將電源側(cè)絕大部分的傳導(dǎo)干擾隔離在變壓器之前；（4）合理布線，屏蔽輻射，在電動(dòng)機(jī)與變頻器之間的電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜，并和其他弱電信號(hào)線分走不同的電纜溝敷設(shè)，降低線路干擾，變頻器使用專用接地線；（5）選用具有開關(guān)電源的儀表等低壓電器；（6）在使用單片機(jī)、PLC等為核心的控制系統(tǒng)中，在編制軟件的時(shí)候適當(dāng)增加對(duì)檢測(cè)信號(hào)和輸出控制部分的信號(hào)濾波，以增加系統(tǒng)自身的抗干擾能力。目前，我廠投入使用的變頻器共67臺(tái)，其中絕大部分變頻器在安裝時(shí)沒有考慮諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，因而沒有附帶消諧裝置，其普遍現(xiàn)象是電機(jī)發(fā)熱量、低頻運(yùn)行抖動(dòng)、噪聲等較工頻運(yùn)行的電機(jī)大，且變頻器運(yùn)行時(shí)容易誤動(dòng)作等，追其根源均是因高次諧波擾動(dòng)所致。筆者建議在下一輪技術(shù)改造中，應(yīng)對(duì)以上類