變頻器諧波治理方案

   日期：2019-07-17

1、變頻器諧波產生原理

實際上不限于通用變頻器，晶閘管供電的直流電動機、無換向器電動機等凡是在電源側有整流回路的，都將產生因其非線性引起的高次諧波，對通用變頻器的諧波治理就顯得尤為重要。

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在整流回路中，輸入電流的波形為不規則的矩形波，波形按傅立葉級數分解為基波和高次諧波，諧波次數通常為6n±1次高次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統。如果出現電源側電抗充分小、換流重疊角“可以忽略強狂，那么n次高次諧波為基波電流的1/n。輸出端諧波產生機理：在逆變輸出回路中，輸出電流信號是受PWM載波信號調制的脈沖波形。輸入端諧波產生機理：變頻器的主電路一般為交-直-交組成，外部輸入380V/50Hz的工頻電源經三相橋路不可控整流成直流電壓，經電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可變的交流電壓。對于GTR大功率逆變元件，其PWM的載波頻率為2~3KHz，而IGBT大功率逆變元件的PWM（MAX）高載頻可達15KHz。同樣，輸出回路電流信號也可分解為只含基波和其他高次諧波。

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2、高次諧波危害

傳導是指高次諧波按著各自的阻抗分流到電源系統和并聯的負載，對并聯的電氣設備產生干擾；感應耦合是指在傳導的過程中，與變頻器輸出線平行輻射的導線又會產生電磁耦合形成感應干擾；電磁輻射是指變頻器輸出端的高次諧波還會產生輻射作用，對鄰近的無線電及電子設備產生干擾。與一般無線電電磁干擾一樣，變頻器產生的高次諧波通過傳導、電磁輻射和感應耦合三種方式對電源及鄰近用電設備產生諧波污染。高次諧波的危害具體表現在以下幾個方面：

（1）開關設備：由于諧波電流使開關設備在起動瞬間產生很高的電流變化率，使暫態回復峰值電壓增大，破壞絕緣，還會引起開關跳脫、引起誤動作。

（2）電力電容器：當高次諧波產生時由于頻率增大，電容器阻抗瞬間減小，涌入大量電流，因而導致過熱、甚至損壞電容器，還有可能發生共振，產生振動和噪聲。

（3）保護電器：電流中含有的諧波會產生額外力距，改變電器動作特性，引起誤動作，甚至改變其操作特性，或燒毀線圈。

（4）感應電動機：電流和電壓諧波同樣使電動機銅損和鐵損的增加，溫度升。同時諧波電流會改變電磁轉矩，產生振動力矩，使電動機發生周期性轉速變動，影響輸出效率，并發出噪聲。

（5）電力電子設備：電力電子設備通?？烤_電源零交叉原理或電壓波形的形態來控制和操作，若電壓有諧波成分時，零交叉移動、波形改變、以以至造成許多無動作。

（6）計量儀表：計量儀表因為諧波會造成感應盤產生額外轉矩，引起誤差，降低精度，甚至燒毀線圈。

（7）變壓器：電流和電壓諧波將增加變壓器銅損和鐵損，結果使變壓器溫度上升，影響絕緣能力，造成容量余度減小。諧波還能產生共振及噪聲等。

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另外，高次諧波還會對電腦、通信設備、電視及音響設備、載波遙控設備等產生干擾，使通信中斷，產生雜訊，甚至發生誤動作，另外還會對照明設備產生影響。

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3、抑制變頻器高次諧波治理

①.對于變頻器輸出側高次諧波治理

降低PWM控制的輸出波形中所含有的交流諧波成分帶來的磁雜訊技術已越來越多地在各種變頻器中得到應用，如采用更高頻率的開關元件、變頻器輸出端加裝濾波裝置，用隨機法調節切換頻率和閉環控制改善高次諧波。

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②.對于變頻器輸入側高次諧波治理

（1）在變頻器交流輸入側設置交流電抗器增大整流阻抗使整流重疊角增大，減小高次諧波。

（2）在電力回路中并聯使用交流濾波裝置，能將來自變頻器的高次諧波分量與電源系統分流。

（3）對于裝設多臺變頻器的場合，可各配專用的變壓器，利用輸入變壓器相位左開的方法抑制高次諧波。

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3.使用無源濾波器或有源濾波器

使用無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。而適用有源濾波器主要是用于補償非線性負載。傳統的方式多選用無源濾波器，無源濾波器出現教早，因其結構簡單、投資少、運行可靠性較高以及運行費用較低。紙巾仍是諧波抑制的主要手段。LC濾波器是傳統的無緣諧波抑制裝置，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，除具有濾波作用外，還有無功補償的作用。這種裝置存在一些較難客服的缺點，主要是容易過載，在過載時會被燒損；另外，無緣濾波器不能受控，因此隨著時間的推移，配件老化或電網負載的變動，會使諧振頻率發生改變，濾波效果下降，更重要的是無源濾波器只能過濾一種諧波成分（如有的濾波器只能濾波三次諧波），如果過濾不同的諧波頻率，則要分別用不同的濾波器，增加設備投資。

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國內外有多種有源濾波器，這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響。有源電力濾波器（APF）理論在20世紀60年代形成，隨著大中功率全控型半導體器件的成熟，脈沖寬度調制（PWM）控制技術的進步以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，有源電力濾波器得以迅速發展。其基本原理是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而極性相反的補償電流頻譜，以抵消原線路諧波源所產生的諧波，從而使電網電流只含有基波分量。其中核心部分是諧波電流發生器與控制系統，即其工作靠數字信號處理（DSP）技術控制快速絕緣雙極晶體管（IGBT）來完成。

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目前，在具體的諧波治理方面，出現了無源濾波器（LC濾波器）與有源濾波器互補混合使用的方式，充分發揮LC濾波器結構簡單、易實現、成本低，有源電力濾波器補償性能好的有點，客服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點，兩者結合使用，從而使整個系統獲得良好的性能。

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4.減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法

諧波產生的根本原因是由于使用了非線性負載，因此，解決的根本辦法是把產生諧波的負載的供電線路和對諧波敏感的負載的供電線路分開。由于非線性負載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產生一個畸變電壓降，而合成的畸變電壓波形加到與此同一線路上所接的其他負載，引起諧波電流在其上流過。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實現。目前，國內較多采用提高變壓器容量，增大電纜截面積，特別是加大中性線電纜界面，以及選用整定值較大的斷路器、熔斷器等保護元件等方法，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?？芍?，可以將線性負載與非線性負載從同一電源接口墊（PCC）就開始分別的電路供電，這樣可以使由非線性負載產生的畸變電壓不會傳導到線性負載上去。這是目前治理諧波問題較為理想的解決方案。

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5.使用無諧波污染的綠色變頻器

綠色變頻器的品質標準是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數可控，帶任何負載時都能使功率因數為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，同時可以保護整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響。實踐表明，不帶電抗器的諧波電流明顯高于帶電抗器產生的諧波電流。為了減少諧波污染造成的干擾，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，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，通過消除（min）低次諧波來減少諧波含量。例如12脈沖，（min）低的諧波是11次、13次、23次、25次諧波。以此類推，對于18脈沖，（min）低的謝博士17次和19次諧波。

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變頻器中應用的低諧波技術可歸納如下：

①、逆變單元的并聯多重化，采用2個或多個逆變單元并聯，通過波形疊加抵消諧波分量；

②、整流電路的多重化，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；

③、逆變單元的串聯多重化，采用30脈沖的串聯逆變單元多重化線路，其諧波可減少到很??；

④、采用新的變頻調制方法，如電壓矢量的菱形調制等。目前，許多變頻器制造廠商非常重視諧波問題，在設計時已從技術手段上保證了變頻器的綠色化，從而在根本上解決諧波問題。

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6.不管采用何種方法，都不可能完全解決高次諧波治理問題，在實際工業生產中消除變頻器高次諧波對電氣設備的干擾，主要從傳導、輻射和耦合三個方面解決?？偟脑瓌t是抑制和切斷干擾源、切斷干擾對系統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吧傳導的高頻電流濾掉或者隔離掉，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干擾線路的距離、走向，避免耦合產生。

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