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，結合變頻器的內部結構的相關知識,分析變頻器諧波產生的原因及其危害,在此基礎上提出了抑制諧波的常用方法.

關鍵字：變頻器諧波危害抑制一、引言：采用變頻器驅動的電動機系統(tǒng),因其節(jié)能效果顯著、調節(jié)方便維護簡單，而在工業(yè)中得到廣泛應用，在人們享受它便捷的同時，變頻器帶來的干擾問題受到越來越多的技術人員關注。世界許多國家都對諧波問題發(fā)布了限制電網諧波的國家標準，由權威機構制定限制諧波的規(guī)定。世界各國所制定的諧波標準大都比較接近。我國國家技術監(jiān)督局于1993年發(fā)布了中華人民共和國國家標準GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》，該標準自1994年3月1日起開始實施。二、變頻器原理及其諧波的產生變頻器是工業(yè)調速領域中應用較廣泛的設備之一，目前已在石化企業(yè)大量使用。變頻器一般采用是交-直-交結構（如圖一所示），它是把工頻（50HZ）變換成各種頻率的交流電源，以實現電機的變速運行的設備。其中控制電路完成對主電路的控制，變頻調速裝置用于交流異步電動機的調速，調速范圍廣、節(jié)能顯著、穩(wěn)定可靠。?（圖一）一般通用變頻器為交－直－交結構眾所周知，電機的轉速和電源的頻率是線性關系。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換為頻率可調方向的交流電源。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產生高次諧波。另外變頻器輸入端的諧波還會通過輸入電源線對公用電網產生影響。從結構上來看，變頻器有間接變頻器和直接變頻器之分。目前應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，經三相橋式不可控整流成直流電壓，經濾波電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變?yōu)轭l率可調的交流信號。在電力電子裝置大量應用以后，電力電子裝置成為最主要的諧波源。變頻器輸入側產生諧波機理：對于變頻器而言，只要是電源側有整流回路的，都將產生因非線性引起的諧波。以三相橋整流電路為例，交流電網電壓為一正弦波，交流輸入電流波形為方波，對于這個波形，按傅氏級數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。單個基波與幾個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重要結論：沖量相等而形狀不同窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。此結論是PWM控制的重要理論基礎。把圖三a的正弦半波分成N個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，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應正弦部分面積（沖量）相等，就得到了圖三b所示脈沖序列，這就是PWM波形。對于正弦波負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。變頻器輸出側產生諧波機理：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產生6組脈寬可調的SPWM波控制三相的6組功率元件導通/關斷，從而形成電壓、頻率可調的三相輸出電壓。其輸出電壓和輸出電流是由SPWM波和三角載波的交點產生的，不是標準的正弦波，如電壓型變頻器，其輸出電壓波形為方形波，用傅氏級數分解電壓方波和電流正弦鋸齒波可分析出包含較強的高次諧波成分，高次諧波對設備產生很強的干擾，甚至造成設備不能使用，周圍儀器信號失真。諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。三、諧波的危害一般來講，變頻器對容量相對較大的電力系統(tǒng)影響不很明顯，而對容量小的系統(tǒng)，諧波產生的干擾就不可忽視，諧波電流和諧波電壓的出現，對公用電網是一種污染，它使用電設備所處的環(huán)境惡化，給周圍的通信系統(tǒng)和公用電網以外的設備帶來危害。諧波污染對電力系統(tǒng)的危害嚴重性主要表現在：（1）諧波對供電線路產生了附加諧波損耗。由于集膚效應和鄰近效應，使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的浪費；由于中性線正常時流過電流很小，故其導線較細，當大量的三次諧波電流流過中性線時，會使導線過熱、絕緣老化、壽命縮短、損壞甚至發(fā)生火災。（2）諧波影響各種電氣設備的正常工作。對發(fā)電機的影響除產生附加功率損耗、發(fā)熱、機械振動和噪聲和過電壓；對斷路器，當電流波形過零點時，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間。（3）諧波使電網中的電容器產生諧振。工頻下，系統(tǒng)裝設的各種用途的電容器其電路比系統(tǒng)中的感抗要大得多，不會產生諧振，但諧波頻率時，感抗值成倍增加而容抗值成倍減少，這就有可能出現諧振，諧振將放大諧波電流，導致電容器等設備被燒毀。（4）諧波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，這就使上述危害大大增加，甚至引起嚴重事故。（5）諧波將使繼電保護和自動裝置出現誤動作，并使儀表和電能計量出現較大誤差；諧波對其他系統(tǒng)及電力用戶危害也很大：如對附近的通信系統(tǒng)產生干擾，輕者出現噪聲，降低通信質量，重者丟失信息，使通信系統(tǒng)無法正常工作；影響電子設備工作精度，使精密機械加工的產品質量降低；設備壽命縮短，家用電器工況變壞等。四、諧波研究的意義諧波研究的意義，首先是因為諧波的危害十分嚴重。各種諧波源產生的諧波給電力系統(tǒng)造成巨大的污染，影響到整個電力系統(tǒng)的運行環(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，可能遠比一個工廠對大氣環(huán)境的污染范圍還要大、距離還要遠。諧波研究的意義，還在于其對電力電子技術自身發(fā)展的影響。電力電子技術是未來科學技術發(fā)展的重要支柱。然而，電力電子裝置所產生的諧波污染已成為阻礙電子技術發(fā)展的重大障礙，它迫使電力電子領域的研究人員必須對諧波問題進行更為有效的研究。諧波研究更可以上升到從治理環(huán)境污染、維護"綠色電網"的角度來認識。對電力系統(tǒng)這個環(huán)境來說，無諧波就是"綠色"的主要標志之一。在電力電子技術領域，要求實施"綠色電力電子"的呼聲日益高漲。目前，對地球的環(huán)境保護已成為全人類的共識。對電力系統(tǒng)諧波污染的治理已成為電工學科技術界所必須解決的問題。諧波研究的意義還在于對電能質量這一概念的理解。諧波電壓限值、公用電網諧波電壓（相電壓）的限值見下表電網標稱電壓（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，認為電網的穩(wěn)態(tài)電壓波形為共頻正弦波，其數學表達式為：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()的關系。正弦周期函數在進行加減乘除和微分、積分的運算時，仍保持正弦函數的特點，所以要求電網盡可能由正弦波形的電源供電。但由于非線性負載的存在，電網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率的正弦函數之和來表示：將sinω1t項稱為基波，其周期與未發(fā)生畸變的波形的周期相同，在電網中就是工頻電壓的周期；其它各項均稱為諧波。由于諧波的頻率是基波頻率的整數倍，所以稱sin3ω1t項為三次諧波，sin5ω1t項為五次諧波……。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，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。但是，以現在的技術水平和經濟條件要將產生的高次諧波全部消滅是困難的。當前必須把高次諧波發(fā)生側和受到高次諧波干擾的裝置側協(xié)調起來，作為系統(tǒng)的整體實施在經濟、技術上是最有效的對策。五、諧波的抑制變頻器給人們帶來極大的方便、高效率和巨大的經濟效益的同時，對電網注入了大量的諧波和無用功，使供電質量不斷惡化。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(qū)已經制定了各自的諧波標準，以限制供電系統(tǒng)及用電設備的諧波污染。抑制諧波的總體思路有三個：其一是裝置諧波補償裝置來補償諧波；其二是對電力系統(tǒng)裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數可控為1；其三是在電網系統(tǒng)中采用適當的措施來抑制諧波。具體方法有以下幾種：1.選用適當的電抗器。（1）輸入電抗器。在電源與變頻器輸入側之間串聯交流電抗器（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（提高到0.75-0.85），這樣進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備或帶有開關控制的功率因數補償裝置；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時才考慮配置交流電抗器。（2）在直流環(huán)節(jié)串聯直流電抗器。直流電抗器串聯在直流中間環(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（提高到0.95）。此電抗器可與交流電抗器同時使用，變頻器功率＞30kW時才考慮配置。（3）輸出電抗器（電機電抗器）。由于電機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，變頻器經逆變輸出后調制方波會在電路上產生一定的過電壓，使電機無法正常工作，可以通過在變頻器和電機間連接輸出電抗器來進行限制（圖五）。圖五串聯輸出電抗器2.選用適當濾波器。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生的電磁干擾噪聲的傳導，也可抑制外界無線電干擾以及瞬時沖擊、浪涌對變頻器的干擾。根據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）線路濾波器串聯在變頻器輸入側，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，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，造成變頻器誤動作，此時將線路濾波器串聯在控制回路電纜上，可以消除干擾。（2）輻射濾波器并聯在電源與變頻器輸入側，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使用效果更好。輸出濾波器串聯在變頻器輸出側，由電感線圈組成，可以減小輸出電流中的高次諧波成分，抑制變頻器輸出側的浪涌電壓，同時可以減小電動機由高頻諧波電流引起的附加轉矩。注意輸出濾波器到變頻器和電機的接線盡量縮短，濾波器亦應盡量靠近變頻器。輸出濾波器從結構上分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濾波器還在應用以外，當前抑制諧波的重要趨勢是采用有源電力濾波器，它串聯或并聯于主電路中，實時對電流中高次諧波進行檢測，根據檢測結果輸入與高次諧波成分具有相反相位電流，達到實時補償諧波電流目的，從而使電網電流只含基波電流。它與無源濾波器相比，具有高度可控性和快速響應性，且可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振危險，但存在容量大，價格高的特點。對于工作性質是節(jié)能性的（同時有調節(jié)作用）大容量的電動機，如酮苯兩臺132KW的電動機（酮苯泵360和312），為了改善電機的運行工況，降低發(fā)熱量，應考慮單獨串聯加裝電抗器。對于工作電流較大（基本運行在額定容量下）的電動機如三催化五臺132～160KW（三催花JG1～JG5），為了減少電機的發(fā)熱量、降低運行電流，使電氣元件的運行可靠度提高（空開、斷路器），應單獨串聯加裝電抗器和濾波器。對于類似于酮苯過濾機變頻器（酮苯過濾301～313，401～406）這樣的小容量、多臺安裝的變頻裝置，單獨增加濾波設備顯然投入太大，且現有空間有限，則應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%，完全滿足國際標準的要求。其缺點是需要專用變壓器，不利于設備的改造，成本費用較高；4.開發(fā)新型的變頻器?，F在許多廠家提出生產名為“綠色變頻器”該變頻器品質標準：輸出和輸入都為正弦波，輸入功率因數可控，帶任何負載都能使功率因數為1，可獲工頻上下任意可控的輸出頻率。變頻器內置的交流電抗器能有效抑制諧波，同時可以保護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，從而避免了相電動勢波形畸變的影響。此時，由地區(qū)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；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6000V系統(tǒng)的影響。減少或削弱變頻器諧波的方法還有：（1）當電機電纜長度大于50米或80米（非屏蔽）時，為了防止電機啟動時的瞬時過0電壓，在變頻器與電動機之間安裝交流電抗器；（2）當設備附近環(huán)境有電磁干擾時，加裝抗射頻干擾濾波器（3）使用具有隔離的變壓器，可以將電源側絕大部分的傳導干擾隔離在變壓器之前；（4）合理布線，屏蔽輻射，在電動機與變頻器之間的電纜應穿鋼管敷設或用鎧裝電纜，并和其他弱電信號線分走不同的電纜溝敷設，降低線路干擾，變頻器使用專用接地線；（5）選用具有開關電源的儀表等低壓電器；（6）在使用單片機、PLC等為核心的控制系統(tǒng)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信號濾波，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，其中絕大部分變頻器在安裝時沒有考慮諧波對電網的影響，因而沒有附帶消諧裝置，其普遍現象是電機發(fā)熱量、低頻運行抖動、噪聲等較工頻運行的電機大，且變頻器運行時容易誤動作等，追其根源均是因高次諧波擾動所致。筆者建議在下一輪技術改造中，應對以上類