變頻器諧波產生原因與抑制方法的分析

前言

    采用變頻器驅動的電動機系統因其節能效果明顯，調節方便維護簡單，網絡化等優點，而被越來越多的應用，但它的非線性，沖擊性用電的工作方式，帶來的干擾問題亦倍受關注。對于一臺變頻器來講，它的輸入端和輸出端都會產生高次諧波，輸入端的諧波會通過輸入電源線對公用電網產生影響。

    一、 諧波的產生

    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）輸出波形才會非常逼真的正弦波。

    無論是哪一種的變頻器，都大量使用了晶扎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。

    二、 諧波的危害

    一般來講，變頻器對容量大的電力系統影響不是十分明顯，但是對于系統容量小的系統，諧波產生的干擾就不可忽視，它對公用電網是一種污染，客觀的存在對公用電網和其它系統的危害大致有：

（1） 諧波使公用電網的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的使用率，大量的三次諧波流過中線時會使線路過熱甚至發生火災。
（2） 諧波影響各種電氣元件的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪音和過電流，使電容器、電纜等設備過熱，絕緣老化、壽命縮短以至損壞。
（3） 諧波會引起公用電網局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，這就使上述的危害大大的增加，甚至引起嚴重事故。
（4） 諧波會對臨近的通訊系統產生干擾，導致通訊質量降低，甚至信息的丟失，使通訊系統無法正常工作。

    三、 諧波的抑制

    變頻器方便、高效和巨大利益的同時，對電網注入了大量的諧波和無功功率，使電能質量不斷的惡化。另一方面，隨著以計算機為代表的大量敏感設備的普及應用，人們對公用電網的供電質量要求越來越高，許多國家和地區已經制定了各自的諧波標準。我國也分別于1984年就及1993年分別通過了“電力系統諧波管理規定”和“GB/T—14549—93標準，用以限制供電系統及用電設備的諧波污染。

    抑制諧波的方法的基本思路有三，其一是裝設諧波補償裝置來補償諧波，其二是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數可控制為1，其三是在市電網絡中采用適當的措施來抑制諧波，具體方法有以下幾種：

（1） 安裝適當的電抗器
變頻器的輸入側功率因數取決于裝置內部的AC-DC變換電路系統，可利用并聯功率因數教正DC電抗器，電源側串聯AC電抗器的方法，使進線電流的THDV大約降低30%-50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。
（2） 裝設有源電力濾波器
除傳統的LC調試濾波器目前還在應用外，目前諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器。它串聯或是并聯于主電路中，實時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，方向想反的補償電流，從而使電網電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，其特性不受系統的影響，無諧波放大的危險，因而倍受關注，在日本等國已獲得廣泛應用。
（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THDV大約為10%-15%，18相脈沖整流的THDV約為3%-8%，滿足國際標準的要求。缺點是需要專用變壓器，不利于設備的改造，價格較高。
（4） 使用濾波模塊組件
目前市場上有很多專門用于抗傳導干擾的濾波模件或組件。這些濾波器具有較強的干擾能力，同時還具有防用電器本身的干擾傳導給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能，對各類用電設備有很多好處。
（5） 開發新型的變流器
大容量的變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術。幾千瓦到幾百千瓦的高功率因數整流器主要采用PWM逆變器可構成四象限交流調速用變頻器。這種變頻器不但輸出電壓、電流為正弦波，輸入電流也為正弦波，且功率因數為1，還可以實現能量的雙向傳遞，代表了這一技術的發展方向。
（6） 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繞組接成三角形，低壓繞組為星型且中性點和“11”連接以保證相電動勢接近于正弦形，從而避免相電動勢波形畸變的影響。此時，由地區低壓電網供電的220V負荷，線路電流不會超過30A，可用220V單相供電，否則應以220/380V三相四線供電。

    減少或削弱變頻器的方法還有：

（1） 在變頻器與電動機之間增加交流電抗器，以減少傳輸過程中的電磁輻射。
（2） 使用具有間隔層的變壓器，可以將絕大部分的傳導干擾隔離在變壓器之前
（3） 采用具有一定消除高頻干擾的雙積分A/D轉換器、
（4） 選用具有開關電源的儀表等低壓電器
（5） 信號線與動力線分開配線，盡量使用雙絞線降低共模干擾
（6） 在使用單片機、PLC等為核心的控制系統中，在編制軟件的時候適當增加對檢測信號和輸出控制部分的軟件濾波，以增強系統自身的抗干擾能力。

    四、結語

    變頻器的使用給人們帶來了方便和巨大的利益，它必將更為普遍的使用。但是由于它所特有的工作方式，給公用電網帶來了一定的破壞，成為電網諧波污染源之一，所以，分析和研究抑制諧波的方法將成為一個非常重要的課題。