淺析變頻器諧波產(chǎn)生的原因、危害及預(yù)防措施

李建軍　張恒艷

在交流變頻調(diào)速方式中，變頻器作為一種頻率可變的交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，因其節(jié)能效果明顯、精度高、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力、機(jī)械、工業(yè)、生活等各個(gè)領(lǐng)域中。但變頻器主要組成器件是電力電子元件，具有非線性特性及其沖擊性用電工作方式，會(huì)產(chǎn)生大量諧波，嚴(yán)重干擾電力系統(tǒng)，所以變頻器諧波問題日益引起人們的關(guān)注。

一、變頻器諧波產(chǎn)生的主要原因

諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。諧波是正弦波，每個(gè)諧波都具有不同的頻率，諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)。從結(jié)構(gòu)組成上變頻器可分為直接變頻和間接變頻兩大類。目前應(yīng)用較多的還是間接變頻器。間接變頻器主電路為交-直-交結(jié)構(gòu)，外部輸入380V/50HZ工頻電源，經(jīng)三相橋式不可控整流成直流電壓，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流信號(hào)。變頻器就是利用這一原理將50Hz的工頻交流電通過整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)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，這些都是由電力電子非線性元件組成的，這些電力電子裝置成為變頻器最主要的諧波源。因此在其開斷過程中其輸入端和輸出端都會(huì)產(chǎn)生諧波。

二、變頻器的諧波危害

變頻器諧波對(duì)容量大的電力系統(tǒng)影響不是十分明顯，但對(duì)于容量小的系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的干擾不可忽視。諧波干擾對(duì)公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下五點(diǎn)：

1.增加了電網(wǎng)元件附加損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備使用率

如電流諧波增加變壓器的銅損，電壓諧波增加鐵損，從而使其溫度上升，影響絕緣能力，并造成容量閾閾值減??；同時(shí)諧波也可能引起變壓器繞組間電容之間的共振。

2.諧波影響各種電氣設(shè)備正常工作

變頻器輸出諧波使電機(jī)附加功率損耗、發(fā)熱；產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲、過電流及過電壓。斷路器因諧波的存在可能造成高的di／dt，使斷路器開斷困難，并且延長故障電流的切除時(shí)間。諧波會(huì)使電力電容發(fā)生過載、過熱甚至損壞電容器等。

3.諧波干擾臨近的通訊系統(tǒng)，導(dǎo)致通訊質(zhì)量降低，使系統(tǒng)無法正常工作

諧波還會(huì)使計(jì)量儀表引起誤差降低精確度；對(duì)臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，使其無法正常工作。

4.諧波將使繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)作，并使儀表和電能計(jì)量出現(xiàn)較大誤差

諧波影響電子設(shè)備工作精度，使精密機(jī)械加工的產(chǎn)品質(zhì)量降低，設(shè)備壽命縮短，家用電器工作狀況變壞等。

5.諧波引起公用電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)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(yán)重事故。

三、變頻器諧波的預(yù)防措施

變頻器使用方便、經(jīng)濟(jì)和高效，但對(duì)電網(wǎng)注入了大量的諧波和無功功率，使電能質(zhì)量不斷的惡化。所以應(yīng)大力采取有效措施來預(yù)防變頻器諧波的產(chǎn)生，減少供電系統(tǒng)及用電設(shè)備的諧波污染。具體抑制諧波措施如下：

一是變頻器系統(tǒng)中應(yīng)使用獨(dú)立的供電電源或在變頻器和其他用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器。

二是增加變頻器供電電源內(nèi)阻抗。因?yàn)殡娫吹膬?nèi)阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用，所以內(nèi)阻抗越大諧波含量越小。

三是變頻器輸出側(cè)串聯(lián)AC電抗器。變頻器與電機(jī)間增加交流電抗器，減少傳輸過程中的電磁輻射。

四是安裝有源濾波器。有源濾波器應(yīng)串聯(lián)或并聯(lián)于主電路中，實(shí)時(shí)地從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，從而消除諧波，使電網(wǎng)中電流只有基波分量。

五是采用多相脈沖整流。在條件允許或要求諧波限制在比較小的情況下，可采用多相整流的方法，但其缺點(diǎn)是需要專用變壓器，不利于設(shè)備的改造，成本費(fèi)用較高。

六是開發(fā)無諧波污染的綠色變頻器。目前對(duì)于“綠色變頻器”有明確的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，那就是輸出和輸入都為正弦波；輸入功率因數(shù)可控，帶任何負(fù)載都能使功率因數(shù)為1，可獲工頻上下任意可控的輸出頻率；變頻器內(nèi)置的交流電抗器能有效抑制諧波，同時(shí)可以保護(hù)整流橋不受電源電壓瞬間尖波影響。

七是其他減小或削弱變頻器諧波的方法變頻器和電動(dòng)機(jī)之間的電纜應(yīng)穿鋼管且與其他弱電信號(hào)在不同電纜溝分開鋪設(shè)；使用具有隔離層的變壓器可以將大部分的傳導(dǎo)干擾隔離在變壓器之前；選用具有開關(guān)電源的儀表等低壓電器；變頻器使用專用接地線，且用粗短線接地。

綜上所述，隨著電力電子及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器必將得到日益廣泛的應(yīng)用，同時(shí)分析和研究抑制變頻器諧波的方法也將成為一個(gè)非常重要的課題。

（作者單位：李建軍，山東省濟(jì)寧市液壓元件研究所；

張恒艷，山東省濟(jì)寧市技術(shù)學(xué)院）