變頻器輸入輸出端諧波治理解決方案

變頻器是AC電動機控制設備常用的元件之一。變頻器是一種理想的調速產品，主要用于交流電動機轉速的調節。變頻器不僅具有優良的調速性能，在合理選用時還能帶來明顯的節能效果。這個特性使得變頻器不僅在相關工業行業，而且在家電行業等眾多領域也得到了寬泛應用。然而隨著變頻器使用越來越普遍，大量的諧波電流隨之產生并注入電網，造成電能質量大幅下降，給電網和電力用戶帶來嚴重危害。薩頓斯電抗器和濾波器可以減少線路中的諧波和變頻器輸出對電機的影響。 

變流技術用電力電子器件構成各種電力變換的電路，對電路進行控制，以及用這些技術構成更為復雜的電力電子裝置和系統。按其結構形式，有交-交變頻器和交-直-交變頻器2種。

變頻器的輸入部分是整流電路，輸出部分是逆變電路，一般采用電力電子開關器件，這些器件高速開關會產生高次諧波電流。變頻器的諧波電流不僅會影響輸出端的電動機正常工作，也會通過輸入端電源線危害電網。交-直-交變頻器是現階段主流產品，而在交-直-交變頻器中以PWM變頻器應用較普遍。交-直-交變頻器結構簡圖如圖所示，主電路包括3個部分：整流部分、中間直流濾波環節和逆變部分。

變流技術電能質量解決方案示意圖：
變頻器運行輸入端的諧波影響
電機通過變頻器以PWM脈動的方式與電網發生能量交換，這種電流需求使變頻器在電源側產生了明顯的電流畸變和電壓下凹，從而產生了大量的諧波電流和諧波電壓。

如圖2所示，常用的交-直-交電壓型變頻器的輸入部分是將交流帶能源轉換為直流帶能源的整流電路。由于整流器與逆變器之間有大的電容并聯，電源供給變頻器的電流實際上是電容的充放電電流。只有當電源電壓大于電容電壓才進行充電，其他時間放電，因此輸入電流發生嚴重畸變，有原本的正弦波變成含有大量諧波的畸變波形。由于發生波形畸變，產生了輸入諧波，加上整流器產生的諧波，返回上一級供配電系統并對接于同一電源的設備帶來過熱、噪聲、誤動作等不良影響，造成對電網的污染：
① 諧波對供電線路的影響
諧波增加了供電線路的損耗，是線路壽命下降，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約60%。
② 諧波對周邊電氣設備的影響
諧波通過電網傳到到其他的用電設備，影響許多電氣設備的正常工作

例如，
對變壓器而言，將導致產生附加損耗，從而引起過熱、絕緣介質老化加速，鐵芯產生磁滯伸縮和噪聲、電抗器產生振動和噪聲；
對旋轉電動機而言，將使電動勢效率降低，發熱增加、使用壽命縮短；對斷路器而言，其靈敏度可能下降，切除故障和人身危害。
對供電線路上的電力電容器而言，諧波導致電流放大并流入電容器，可能導致電容器過熱及絕緣損壞。
③ 諧波對繼電保護和自動裝置的影響
諧波會使繼電保護和自動裝置出線異常跳閘，并影響儀表的準確度，影響其正常工作。
例如，供配電系統的中高壓電力線路與電力變壓器監測和保護一般此阿勇電磁式繼電器、感應式繼電器或晶體管繼電器。但當系統存在較高的諧波電流時，電磁式與感應式繼電器經常誤動作，使繼電保護形同虛設，供配電系統的保護系統受到破壞，安全受到威脅。
④ 諧波對其他系統的危害
高次諧波產生的電磁輻射會是變頻器附近的控制信號、監測信號、通信信號和弱電信號等受到干擾，導致控制系統工作異?；蛘弑O測信號無法正確傳輸。

變頻器運行輸出側的諧波影響
諧波對電動機的影響主要有：電動機因為諧波產生熱效應，從而影響點擊壽命；帶來諧波損耗，降低了電動機的效率；產生轉矩脈動，影響電動機在低頻段運行，電機甚至不能正常工作。

諧波電流是電動機產生諧波轉矩，當傳動系統機械部分的固有振動頻率與脈動轉矩頻率一致時，由于共振放大，可能產生很大的振動。這種共振現象通常發生于逆變器頻率在30HZ以下，也就是低頻轉矩脈動效應。

上文分析可以看出，諧波使電網有了附加損耗，變頻器大量使用使電網存在大量的諧波，嚴重影響供電質量和電機使用。我們應該看到變頻器節能的同時，也應該考慮一下它所帶來的損耗。同時在工程設計中，積極地提出并良好的應用諧波遏制的方法，從而減少損耗，降低電流諧波總畸變率THD。下面簡述幾種諧波遏制的方法：

薩頓斯的電抗器和濾波器 可以減少或削弱線路中的諧波和變頻器輸出對電機的影響。
1、在變頻器輸入端：串聯1臺交流輸入電抗器；EMI輸入濾波器、諧波濾波器、LCL濾波器 
2、在變頻器輸出端：串聯1臺交流輸出電抗器；EMI輸出濾波器、正弦波濾波器、DVDT濾波器及輸出變壓器等，對于諧波產品的組合應用，可將負載距離延長大于3KM，頻率可達到幾十KHZ。
3、采用鎧裝電纜連接電動機與變頻器或者電纜穿鋼管敷設，強電電纜和弱電線纜同路敷設時需保持一定距離，降低線路干擾。
4、與變頻器連接或臨近信號線纜，盡量采用屏蔽線。


變頻器的大量使用對電網的污染越來越嚴重，諧波是根源之一，本文從變頻器輸入端輸出端分別分析了諧波帶來的影響與危害。故在變頻器使用中，應綜合考慮使用變頻器的利弊，并采用適當的諧波遏制措施，是變頻器成為真正使用的電機調速產品。