論變頻系統(tǒng)中的諧波干擾問題與解決

 注：（實際應用僅當參考）
隨著工業(yè)自動化技術的發(fā)展，變頻器的應用越來越廣泛，其優(yōu)良的調(diào)速性能和明顯的節(jié)能效果也被人們?nèi)找娣Q道，但變頻器在運行過程中產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的危害也愈發(fā)嚴重，因此，抑制諧波干擾，改善電能質量的要求也越來越迫切。

一、變頻器的原理
　　變頻器是一種將電壓頻率固定的交流電轉換為電壓和頻率可變的交流電的裝置，主電路一般為交—直—交，三相橋式整流回路將380V/50Hz的工頻交流電源整流成直流電壓，通過電容濾波和大功率開關元件（IGBT,GTO等）逆變?yōu)轭l率可變的交流電壓，原理如圖1

　　諧波注入電網(wǎng)，將會使電感設備如電機、變壓器、導線等產(chǎn)生額外的溫升及絕緣的破壞，導致電氣設備壽命縮短，損耗增大，同時造成電容器的故障和損害，使系統(tǒng)發(fā)生諧振的可能性增大，諧波也可能引起繼電保護和自動裝置誤動、儀表指示和電能計量不準及干擾通訊系統(tǒng)等一系列問題。
2、變頻器輸出側的波形
　  在逆變輸出回路中，輸出電壓和電流均有諧波。對于PWM控制的變頻器，只要是電壓型變頻器，不管是何種PWM控制，其輸出電壓波形為矩形波，其中諧波頻率的高低是與變頻器調(diào)制頻率有關。電流波形是帶毛刺的近似正弦波，如圖所示?？梢姡冾l器的輸出波形畸變將會對電動機造成極大的危害。

　　　
三、諧波對電動機的危害主要是：引起電動機的附加發(fā)熱，導致電動機的額外溫升；增加電動機的重復峰值電壓，破壞電動機的絕緣，降低電動機的壽命；產(chǎn)生轉矩脈動；加大噪聲。實際應用中，電動機許多不明原因的故障均是由于諧波造成的。改善變頻器輸出端的波形可采用正弦波濾波器，使輸出波形修正到的正弦波。

四、變頻器諧波干擾的消除辦法
　　由上可知，變頻器的輸入輸出側的波形均已畸變 ，不再是的正弦波，所以必然會對周圍的環(huán)境與設備造成干擾。 實際應用中，主要從傳導、輻射和耦合三個方面解決變頻器的干擾，總的原則是抑制和切斷干擾源、切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道和降低對干擾信號的敏感性。解決傳導干擾主要是在電路中把干擾濾掉或者隔離，解決輻射干擾就是對輻射源或被干擾的線路進行屏蔽，解決耦合干擾就是合理布置干擾源和被干擾線路的距離、走向，避免耦合產(chǎn)生。詳細的措施如下：
1、隔離
　 變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設備的供電電源相互獨立，或在變頻器和其他用電設備的輸入側安裝隔離變壓器，切斷諧波電流
2、抑制
　  在變頻器輸入側與輸出側串接合適的電抗器和電磁干擾濾波器，來抑制諧波干擾
3、屏蔽
　  屏蔽干擾源是抑制干擾zui有效的方法。變頻器本采用鐵殼屏蔽，阻止電磁干擾泄漏；輸出線采用鋼管屏蔽；外部信號控制變頻其實，要求信號線盡可能短（一般20m以內(nèi)），且采用雙芯屏蔽以降低共模干擾，并與主電路及控制回路*分離，決不能放于同一配管或線槽內(nèi)，周圍電子敏感設備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須接地。
4、合理布線
　  一般將控制電纜于主回路或其他動力電纜分開鋪設，間距通常在30cm以上，必須平行敷設且分離困難時，將控制電纜穿過鋼管鋪設，控制電路連接線與電源電纜交叉時，應成90度交叉布線。
5、接地
　  變頻器應使用接地線和專設的接地端子，用粗短線接地，接地點要與其他動力設備接地點分開，不能共地。

五、變頻器諧波的抑制方法
　　前面提到的是對于變頻器諧波干擾的被動控制，為了進一步消除諧波對電網(wǎng)的不利影響，我們還需要從根上治理諧波，一般從兩個方面入手：一方面就是裝設諧波補償裝置；另一方面，對變頻器本身進行改造，使其不產(chǎn)生諧波，或產(chǎn)生少量的諧波。以下就是具體的措施：
1、加裝交流電抗器和直流電抗器
　  加裝交流電抗器，可以抑制諧波，并可以濾除30%左右的諧波電流，同時可將功率因數(shù)提高到0.8以上，加裝直流電抗器，可將功率因數(shù)提高職0.9以上，若同時采用交流直流電抗器，功率因數(shù)可提高至0.95。
　   舉個例子：某酒店的中央空調(diào)系統(tǒng)風機進行變頻改造，變頻柜安裝在低壓補償柜的附近，運行一段時間，出現(xiàn)一系列故障，無功控制器失靈，電容發(fā)熱嚴重，甚至燒毀，電容投切器觸點發(fā)黑。這顯然是由于變頻器諧波的存在造成的，經(jīng)檢測，諧波含量并未超標，推測由于諧波的存在引起諧振造成。由于非線性負荷不大，不建議采用濾波器來消除諧波，我們采用變頻器輸入側加裝交流電抗器，從根源抑制諧波，并進行電容柜改造，更換抗諧波功能的控制器，在電容器前串接電抗器的方法。經(jīng)改造后，問題解決。
2、無源濾波器
　  無源濾波器安裝在變頻器的輸入側，由 L、C、R元件構成諧波共振回路，當 LC 回路的諧振頻率和某一次高次諧波電流頻率相同時，即對此次諧波形成低阻回路，吸收諧波，阻止高次諧波流入電網(wǎng)。無源濾波器特點是投資少、結構簡單、運行可靠及維護方便，缺點是濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響，對某些次諧波有放大的可能。無源濾波器適用于負荷穩(wěn)定、很少變動的場合。
3、有源濾波器
     有源濾波器實質是一個諧波發(fā)生源，并聯(lián)或串聯(lián)于主電路中，采用高速的DSP芯片對系統(tǒng)參數(shù)實時監(jiān)測，分離出基波與諧波成分，再由補償裝置發(fā)出一個與諧波電流大小相等方向相反的補償電流，達到實時補償諧波電流的目的。與無源濾波器相比，具有高度可控性和快速響應性，不受系統(tǒng)阻抗的影響，不會發(fā)生諧振危險，可自動跟蹤補償變化的諧波。其缺點就是價格昂貴，大容量制作困難等。
4、混合濾波 
     即采用無源濾波器濾除大部分諧波，有源濾波器改善特性，如此，不但起到快速濾波的作用，不受系統(tǒng)阻抗的影響，而且可以做到價格合理。即綜合了無源濾波和有源濾波的優(yōu)點:電路的多重化、多元化
5、多重化
　  逆變單元的并聯(lián)多元化是采用2個或多個逆變單元并聯(lián)，通過波形移位疊加，抵消諧波分量；整流電路的多重化是采用12脈波、18脈波、24脈波整流，可降低諧波成分；功率單元的串聯(lián)多重化是采用多脈波（如30脈波的串聯(lián)），功率單元多重化線路也可降低諧波成分。
6、新的變頻調(diào)制方法，如電壓矢量的變形調(diào)制等。
7、綠色變頻 
　  采用理想化的無諧波污染的綠色變頻器——交交變頻，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(shù)可控，帶任何負載使都能使功率因數(shù)為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出功率。

六、總結  
      在實際應用中，首先要通過合理布線、隔離、屏蔽和接地等這樣的基本方法，來抑制諧波的干擾，然后根據(jù)應用場合對諧波的要求是否嚴格以及現(xiàn)場諧波的危害程度，再來選擇是否治理以及治理的辦法。目前，變頻器諧波的治理采用無源濾波器者居多，通過改造變頻器本身來*解決諧波，也會在不久的將來成為現(xiàn)實。

　　　　　　　　　　　                        
二、變頻器的諧波
　　從變頻器的原理可知，由于逆變電路的開關特性，變頻器對電源電路形成一個典型的非線性負載。當電流流經(jīng)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(chǎn)生諧波。變頻器的輸入側和輸出側的電壓電流中，都含有很多高次諧波成分。
    1、變頻器電網(wǎng)側的諧波
　　   如下圖既是實測的某應用中變頻器系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波。變頻器注入電網(wǎng)的主要是電流諧波。由于變頻器是三相整流回路，變頻器產(chǎn)生的諧波通常含有6n±1（n=1,2,3,……）次諧波，主要是5次、7次的諧波電流含量比較大，通常，5次含有基波電流的40-65%，7次含有基波電流的14-41%，其他階次的諧波含量基本都在10%以下。當然，由于直流電流的脈動、交流電壓相間的不平衡、延遲角相間差異、換相電抗相間差異等原因，也可能產(chǎn)生其他階次的非特征諧波。