變頻器的諧波危害及解決措施

　　變頻器的諧波危害及解決措施

　　1、前言

　　在工業(yè)調速傳動(dòng)領(lǐng)域中，與傳統的機械調速相比，用變頻器調速有諸多優(yōu)點(diǎn)，顧其應用非常廣泛，但由于變頻器逆變電路的開(kāi)關(guān)特性，對其供電電源形成了一個(gè)典型的非線(xiàn)性負載，變頻器在現場(chǎng)通常與其它設備同時(shí)運行，例如計算機和傳感器，這些設備常常安裝得很近，這樣可能會(huì )造成相互影響。因此，以變頻器為代表的電力電子裝置是公用電網(wǎng)中最主要的諧波源之一，其對電力系統中電能質(zhì)量有著(zhù)重要的影響。

　　2、諧波產(chǎn)生的過(guò)程

　　諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線(xiàn)性負載所致。當電流流經(jīng)負載時(shí)，與所加的電壓不呈線(xiàn)性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波，如下圖所示。

　　諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據法國數學(xué)家傅立葉(M.Fourier)分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數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。諧波可以區分為偶次與奇次性。在平衡的三相系統中，由于對稱(chēng)關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。

　　3、諧波危害

　　對于電力系統來(lái)說(shuō)，電力諧波的危害主要表現有以下幾方面：

　　(1)增加輸、供和用電設備的額外附加損耗，使設備的溫度過(guò)熱，降低設備的利用率和經(jīng)濟效益：

　�、匐娏χC波對輸電線(xiàn)路的影響：

　　諧波電流使輸電線(xiàn)路的電能損耗增加。當注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡(luò )諧振點(diǎn)附近的諧振區內時(shí)，對輸電線(xiàn)路和電力電纜線(xiàn)路會(huì )造成絕緣擊穿。

　�、陔娏χC波對變壓器的影響：

　　諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場(chǎng)強度，諧波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱(chēng)性負荷的變壓器而言，會(huì )大大增加勵磁電流的諧波分量。

　�、垭娏χC波對電力電容器的影響：

　　含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時(shí)，由于電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過(guò)負荷甚至爆炸，同時(shí)諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波諧振，使故障加劇。

　　(2)影響繼電保護和自動(dòng)裝置的工作可靠性：

　　特別對于電磁式繼電器來(lái)說(shuō)，電力諧波常會(huì )引起繼電保護及自動(dòng)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，使其動(dòng)作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統事故，嚴重威脅電力系統的安全運行。

　　(3)對通訊系統工作產(chǎn)生干擾：

　　電力線(xiàn)路上流過(guò)的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過(guò)磁場(chǎng)耦合時(shí)，會(huì )在鄰近電力線(xiàn)的通信線(xiàn)路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統的工作，影響通信線(xiàn)路通話(huà)的清晰度，甚至在極端的情況下，還會(huì )威脅著(zhù)通信設備和人員的安全。

　　(4)對用電設備的影響：

　　電力諧波會(huì )使電視機、計算機的圖形畸變，畫(huà)面亮度發(fā)生波動(dòng)變化，并使機內的元件溫度出現過(guò)熱，使計算機及數據處理系統出現錯誤，嚴重甚至損害機器。

　　此外，電力諧波還會(huì )對測量和計量?jì)x器的指示不準確及整流裝置等產(chǎn)生不良影響，它已經(jīng)成為當前電力系統中影響電能質(zhì)量的大公害。

　　4、諧波的治理措施

　　治理諧波問(wèn)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(shù)手段。

　�、偈褂脽o(wú)源濾波器或有源濾波器;

　　使用無(wú)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(xiàn)性負載。LC濾波器是傳統的無(wú)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(lián)，除具有濾波作用外，還有無(wú)功補償的作用。

　�、谠黾幼儔浩鞯娜萘�，減少回路的阻抗及切斷傳輸線(xiàn)路法;

　　由于非線(xiàn)性負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(xiàn)路上所接的其它負載，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。目前，國內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(xiàn)電纜截面，以及選用整定值較大的斷路器、熔斷器等保護元件等辦法，但此種方式不能從根本上消除諧波，反而降低了保護特性與功能，又加大了投資，增加供電系統的隱患。

　�、凼褂脽o(wú)諧波污染的綠色變頻器。

　　綠色變頻器的品質(zhì)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(shí)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，它能很好的抑制諧波，同時(shí)可以保護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，對于18脈沖，最低的諧波是17次和19次諧波。

　　變頻器中應用的低諧波技術(shù)可歸納如下：

　�、迥孀儐卧�的并聯(lián)多重化，采用2個(gè)或多個(gè)逆變單元并聯(lián)，通過(guò)波形疊加抵消諧波分量。

　�、嬲�流電路的多重化，在PWM變頻器中采用12脈沖、18脈沖或者24脈沖的整流，以減少諧波。

　�、� 逆變單元的串聯(lián)多重化，采用30脈沖的串聯(lián)逆變單元多重化線(xiàn)路，其諧波可減少到很小。

　�、� 采用新的變頻調制方法，如電壓矢量的菱形調制等。目前，許，多變頻器制造廠(chǎng)商已非常重視諧波問(wèn)題，在設計時(shí)已從技術(shù)手段上保證了變頻器的綠色化，從而在根本上解決諧波問(wèn)題。

　　結論

　　綜上所述，可以清楚地了解諧波產(chǎn)生的原因，在具體治理上可采用無(wú)源濾波器、有源濾波器，減少回路阻抗，切斷諧波傳輸路徑及開(kāi)發(fā)使用無(wú)諧波污染的綠色變頻器等方法，將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍內，達到科學(xué)合理用電，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質(zhì)量.