調(diào)速變頻器的諧波產(chǎn)生機(jī)理及治理措施研究

邵阿紅 葉永衛(wèi) 田二明

（1.陜西師范大學(xué)，陜西西安 710062）

（2.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西運(yùn)城 044000）

（3.中北大學(xué)，山西太原 030051）

目前，在生產(chǎn)機(jī)械中，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，常常使用變頻器.變頻器在節(jié)能、提高生產(chǎn)效率及自動(dòng)控制等方面起到了很大的推動(dòng)作用.但是，變頻器在電路中會(huì)產(chǎn)生諧波電流或諧波電壓，對(duì)供電系統(tǒng)及相關(guān)的一些電氣設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重的影響.主要表現(xiàn)在：諧波會(huì)增加電網(wǎng)及用電設(shè)備損耗、危害電氣設(shè)備絕緣、影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行、降低設(shè)備使用壽命、影響電能計(jì)量裝置準(zhǔn)確計(jì)量、導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置拒動(dòng)或誤動(dòng)等.由于諧波會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的影響，因此必須對(duì)諧波加以治理，即對(duì)變頻器加以改進(jìn).本文從調(diào)速變頻器產(chǎn)生的諧波入手，分析了諧波產(chǎn)生的原因及其帶來(lái)的危害，并對(duì)變頻器諧波的治理措施進(jìn)行了探討和研究，提出了一些新的建議.

1 諧波及諧波的危害

1.1 諧波的定義

當(dāng)正弦交流電通過(guò)一些非線性的元件時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電流與電壓不呈現(xiàn)線性關(guān)系的情況.這樣，變頻器及其周圍的一些設(shè)備中會(huì)產(chǎn)生一些畸變電波，即整體上呈現(xiàn)非正弦形態(tài)的電流波或電壓波，他們的波形偏離了正弦波形，用傅里葉級(jí)數(shù)可將這些畸變電波分解為：具有工頻的正弦波及一些頻率為工頻整數(shù)倍的正弦波.具有工頻的波形稱為基波，而其余頻率為工頻整數(shù)倍的波形稱為諧波.諧波是一系列不同頻率的正弦電波，如果用sinwt表示基波，則諧波可以表示為sin2wt、sin3wt、sin4wt、sin5wt等等.諧波又可分為偶次諧波和奇次諧波兩類：頻率為工頻偶數(shù)倍的諧波稱為偶次諧波，頻率為工頻奇數(shù)倍的諧波稱為奇次諧波.在一般的三相堆成供電系統(tǒng)中，由于堆成的原因，偶次諧波往往被消除了.所以，諧波的危害主要是由于奇次諧波造成的.

1.2 諧波造成的危害

諧波對(duì)常見(jiàn)的一些電氣設(shè)備造成的危害如下：

1.2.1 對(duì)變壓器的危害

當(dāng)諧波電流或諧波電壓施加在變壓器上面時(shí)，會(huì)讓變壓器的鐵損以及銅損都增大.這樣，將可能會(huì)使變壓器溫度快速上升，導(dǎo)致變壓器絕緣性能下降，從而也會(huì)使變壓器的容量利用率減小.[1]另外，諧波在線圈以及鐵芯中還能引起共振，產(chǎn)生噪音.

1.2.2 對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的危害

當(dāng)諧波電流通過(guò)交流電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的鐵損與銅損會(huì)增大，電動(dòng)機(jī)溫度也會(huì)迅速上升.另外，諧波電流通過(guò)電動(dòng)機(jī)的定子線圈時(shí)，轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)發(fā)生變化，出現(xiàn)振動(dòng)力矩，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)周期性的變動(dòng)，引起噪聲以及抖動(dòng)，影響電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率以及輸出功率.[2]

1.2.3 對(duì)各類開關(guān)設(shè)備及保護(hù)設(shè)備的危害

開關(guān)設(shè)備在通斷的瞬間出現(xiàn)諧波電流時(shí)，整個(gè)電路中的電流變化率會(huì)變化很快，造成暫態(tài)恢復(fù)峰值電壓迅速增大，破壞設(shè)備的絕緣性能，以及使開關(guān)誤動(dòng)作，出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象.諧波電流通過(guò)保護(hù)設(shè)備時(shí)，會(huì)在保護(hù)設(shè)備的操動(dòng)機(jī)構(gòu)中引起額外力矩，在不符合電氣動(dòng)作特性的情況下設(shè)備會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，甚至?xí)龤ПＷo(hù)設(shè)備的電磁線圈部分.

1.2.4 對(duì)計(jì)量?jī)x表設(shè)備的危害

諧波電流通過(guò)一些機(jī)械式的計(jì)量?jī)x表時(shí)，諧波會(huì)使設(shè)備的感應(yīng)盤得到額外轉(zhuǎn)矩，使其轉(zhuǎn)速改變，儀表讀數(shù)不正確，測(cè)量精度降低，誤差也增大，嚴(yán)重時(shí)也會(huì)燒毀儀表中的電磁線圈.

1.2.5 對(duì)電力電子設(shè)備的危害

電力電子設(shè)備一般依靠電源精確交叉原理以及電壓波形變化來(lái)工作.如果諧波電壓通過(guò)時(shí)，零交叉點(diǎn)會(huì)發(fā)生移動(dòng)，電壓波形輸出畸變，整個(gè)設(shè)備也會(huì)誤動(dòng)作.對(duì)于計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，諧波電壓畸變過(guò)于嚴(yán)重時(shí)，他們發(fā)生的指令信號(hào)會(huì)嚴(yán)重失真.接受指令的控制設(shè)備將會(huì)誤動(dòng)作，使得電力機(jī)械中斷運(yùn)行甚至?xí)p壞.

1.2.6 對(duì)電纜及電力電容的危害

諧波使電纜出現(xiàn)集膚效應(yīng)，增加能耗；會(huì)使電力電容產(chǎn)生諧波，諧振會(huì)放大諧波電流，導(dǎo)致電力電容器被燒毀.

2 諧波產(chǎn)生的機(jī)理

變頻器分為兩大類：直接變頻器和間接變頻器.當(dāng)前，在工頻電網(wǎng)中，間接式變頻器應(yīng)用比較廣泛，間接變頻器為交流—直流—交流的工作方式.變頻器輸入工頻電流后，在其內(nèi)的橋式不可控整流器轉(zhuǎn)換為直流電，之后再由濾波電容濾波，最后再由大功率晶閘管元件逆變?yōu)榭烧{(diào)頻的交流電.因此，變頻器的輸入部分實(shí)質(zhì)上是整流電路，輸出部分為逆變電路.如圖1：

但是，整流元件和逆變?cè)紴榉蔷€性元件，這樣會(huì)讓變頻器的輸入端及輸出端都會(huì)產(chǎn)生諧波.

2.1 變頻器輸入端產(chǎn)生諧波的原因

目前，調(diào)速變頻器常用的整流元件多為晶閘管或二極管整流元件，如圖2.

在帶阻感負(fù)載的整流電路及采用電感濾波的二極管整流電路中，輸入電流為非正弦波，如圖 2中A所示，包含有高次諧波成分，最后會(huì)給電路帶來(lái)諧波污染.

2.2 變頻器輸出端產(chǎn)生諧波的原因

變頻器輸出端輸出的電壓和電流是由PWM波和三角載波在交點(diǎn)形成的，不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形.結(jié)果輸出方形電壓波和鋸齒形電流波，這些波形中可分析出含有很強(qiáng)的高次諧波.如圖3所示：

另外，一些相配套的電力電子產(chǎn)品對(duì)變頻器諧波會(huì)起到放大的作用：如與晶閘管等元件配套的一些元件以及用來(lái)提高用戶功率因數(shù)的電力電容器組，電力電容器組以諧振形式加大了諧波污染的程度.所以，對(duì)于這些與變頻器處于同一用戶中的設(shè)備，也應(yīng)采取措施減弱它們對(duì)諧波污染的放大作用.

3 對(duì)諧波污染采取的治理措施

目前，對(duì)于變頻器諧波的污染，治理它的思想是從兩個(gè)大的方面來(lái)進(jìn)行考慮的：第一是采用所謂的“綠色”變頻器.“綠色”變頻器是指產(chǎn)生諧波電流很小的變頻器，這類變頻器基本上不會(huì)帶來(lái)太大的諧波污染.第二是治理已產(chǎn)生的諧波污染，同時(shí)也對(duì)放大諧波污染設(shè)備加以改進(jìn)或修正.

3.1 綠色變頻器

綠色變頻器要求達(dá)到這樣的標(biāo)準(zhǔn)，輸出和輸入的電波均要求十分地接近正弦波形，而且要求輸入電流的功率因數(shù)可控制，在任何負(fù)載的情況下都可以把cosφ調(diào)節(jié)到1.另外，輸出電波的頻率在工頻范圍之內(nèi).

對(duì)于普通變頻器做如下一些調(diào)整，將會(huì)達(dá)到綠色變頻器的標(biāo)準(zhǔn).

3.1.1 對(duì)變頻器輸入側(cè)的改進(jìn)及建議

對(duì)于變頻器輸入側(cè)的諧波治理的建議為：第一，在變頻器輸入側(cè)的整流電路部分與電源之間串聯(lián)一個(gè)內(nèi)置交流電抗器，電抗器能夠很大程度上抑制諧波電流，減少瞬間峰值電涌電流對(duì)整流電橋的沖擊.第二是對(duì)于四象線運(yùn)行和動(dòng)態(tài)性能較高的一些場(chǎng)合，變頻器的二極管整流電路可以采用全控型電力電子元件組成的PWM型整流電路.這類整流電路的輸入諧波很低，功率因數(shù)也可以控制.第三是對(duì)于晶閘管整流元件，可以采用增加脈沖的方法來(lái)消除最低次諧波成分.

對(duì)于第一種情況，筆者認(rèn)為應(yīng)該滿足以下幾個(gè)條件：第一，電源容量與變頻器容量之比大于10︰1；第二，內(nèi)置功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備；第三，三相電壓不平衡大于等于30%，這樣的條件下適合內(nèi)置電抗器.在制造工藝方面，筆者提出以下幾個(gè)改進(jìn)的建議：第一，電抗器絕緣等級(jí)必須相當(dāng)高；第二，電抗器與電源線之間的引線盡量與控制線分開走線；第三，電抗器在變頻器內(nèi)安裝必須牢固，不能產(chǎn)生噪音及其它事故.

對(duì)于第二種情況，提出以下兩條建議：第一，PWM整流電路輸出的載波頻率必須足夠高，以達(dá)到抑制諧波目的；第二，避免PWM輸出波與三角波相疊加.

對(duì)于第三種增加脈沖的情況，筆者建議：綠色變頻器的脈沖數(shù)在12~24之間為宜.以6脈沖晶閘管整流電路和12脈沖晶閘管整流電路為例，6脈沖晶閘管輸入電流的5次諧波可達(dá)20%，而7次諧波成分可達(dá)12%，高次諧波可達(dá)35次以上.12脈沖的晶閘管整流電路，由兩組晶閘管整流橋串聯(lián)組成，降低了5次諧波與7次諧波，如圖4所示：

采用 18脈沖的整流電路，諧波電流失真度會(huì)小于5.6%，24脈沖整流電路的諧波失真度更低.但是增加脈沖，整流電路結(jié)構(gòu)會(huì)更復(fù)雜，成本增加，工作穩(wěn)定性下降.[3]另外，筆者建議，對(duì)變頻器的整流部分，還可采用整流電路多重化的方法，以及電壓矢量菱形調(diào)制等方法來(lái)對(duì)其從結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)

3.1.2 對(duì)變頻器輸出側(cè)的改進(jìn)與建議

對(duì)于變頻器輸出端的諧波抑制，應(yīng)該做如下調(diào)整：第一，將其濾波元件更換為性能更好的噪聲濾波器，并且在此處適當(dāng)降低載波頻率；第二，在輸出側(cè)內(nèi)置輸出電抗器，此處電抗器要求同輸入電抗器的要求相似；第三，采用逆變單元并聯(lián)多重化方式，讓輸出電波中的諧波成分相疊加，消除一些諧波成分.但是逆變單元串聯(lián)或并聯(lián)的個(gè)數(shù)不宜過(guò)多，2~5單元為佳.

3.2 變頻器外諧波治理措施的改進(jìn)

對(duì)于電路中已形成的諧波，治理的常用措施一般為屏蔽、隔離、接地、濾波以及反治振等.下面就上述措施加以探討.

3.2.1 對(duì)屏蔽措施的探討

對(duì)于聯(lián)接在變頻器與電動(dòng)機(jī)等電氣設(shè)備之間的電纜及信號(hào)線，將它們穿鋼管或者采用鎧裝.電纜在進(jìn)出鋼管的這些地方，應(yīng)做金屬箔包裹屏蔽，若采用鎧裝電纜，在其易磨損段，再加一層鎧裝.另外，變頻器所在房間，條件允許時(shí)可以加裝抗輻射干擾濾波器.筆者認(rèn)為采用EMI濾波器最佳，如圖5所示，這樣就可以消除或減弱高次諧波以傳到或感應(yīng)耦合等方式形成諧波污染，同時(shí)也能使外界干擾不能進(jìn)入變頻器中.

3.2.2 對(duì)隔離措施的改進(jìn)建議

隔離措施是指：將電路中的干擾源和容易受到干擾的設(shè)備及元件分隔開，讓他們之間不存在電的聯(lián)系.具體做法為：

1）把交流電抗器安裝在變頻器輸入側(cè)外面，增加整流阻抗，使諧電波重疊角增大，諧電波被重疊消除，從而抑制住了諧電波成分，可降低諧波30%~50%左右.[4]筆者建議，將電抗器安裝在與變頻器零距離處為佳，信號(hào)線與電源線分線路，電抗器絕緣性能必須良好.

2）加強(qiáng)信號(hào)線路中導(dǎo)線及開關(guān)等設(shè)備的絕緣性能，杜絕漏電發(fā)生，防止諧電波從漏電的地方進(jìn)入信號(hào)線路之中.開關(guān)設(shè)備務(wù)必具有漏電保護(hù)的功能，對(duì)于諧波治理亦有作用.

3）將信號(hào)線分類型進(jìn)行分隔.由抗噪聲能力來(lái)安裝在不同的電纜槽、管及橋梁中.筆者建議，信號(hào)線在控制臺(tái)或控制屏處，接示波器，以方便觀察波形是否畸變.

3.2.3 對(duì)接地措施的建議

接地措施除了保護(hù)人身安全及電氣設(shè)備的安全，還可以非常有效地抑制諧波對(duì)一些電氣設(shè)備的干擾，也降低一些電氣設(shè)備對(duì)外界的干擾.具體來(lái)講，變頻器及它的控制設(shè)備，以及相關(guān)的儀表設(shè)備都應(yīng)進(jìn)行很可靠的工作接地，一般分為信號(hào)接地，電源接地，模擬接地等幾種形式.這樣儀表設(shè)備的測(cè)量精度以及控制穩(wěn)定性就會(huì)大大提高，諧波對(duì)它們的干擾就會(huì)被消除了不少.筆者建議，各種接地線在沒(méi)到達(dá)接地匯流排時(shí)，之間要高度絕緣，并加以金屬網(wǎng)罩屏蔽或鎧裝，以消除接地干擾.

3.2.4 對(duì)濾波措施的建議

濾波器可以控制變頻器諧波的電磁噪聲，也可以抵消外界各種天線電磁波對(duì)變頻器的干擾及瞬間沖擊，甚至是線路電涌對(duì)變頻器的干擾.由使用的位置可以把濾波器分為兩個(gè)類型：輸入濾波器和輸出濾波器.

輸入濾波器又可以分為線路濾波器和輻射濾波器兩類.線路濾波器由電感線圈組成，一般將它串聯(lián)在變頻器的輸入端.線路濾波器用增大線路阻抗的方法來(lái)減小較高頻率的諧波電流.當(dāng)我們采用外空端子控制變頻器時(shí)，控制電纜長(zhǎng)度也較大時(shí)，外界干擾就會(huì)從控制電流侵入變頻器，導(dǎo)致變頻器誤動(dòng)作.這時(shí)就需要在控制線路的電纜上串入線路濾波器，從而消除掉外界干擾.

輻射濾波器由高頻電容器組成，通常把它們并聯(lián)在電源與變頻器的輸入端.輻射濾波器能吸收高頻且有輻射能力的諧波，所以它也可以降低設(shè)備的無(wú)線電噪聲.筆者認(rèn)為，應(yīng)該將線路濾波器與輻射濾波器同時(shí)引入電路中使用，可以達(dá)到更好的控制諧波效果.同時(shí)，如果要求高時(shí)，必須采用有源濾波器.另外，對(duì)它們也要加以屏蔽及接地.

輸出濾波器也是由電感線圈組成的，一般被串聯(lián)在變頻器的輸出端.輸出濾波器能夠減少輸出電流中的高次諧波成分，從而降低變頻器的輸出浪涌電壓.筆者建議，輸出濾波器應(yīng)近距離安裝在變頻器的輸出端，同時(shí)，輸出濾波器要做好接地.

3.2.5 對(duì)反諧振措施的改進(jìn)及建議

諧波會(huì)對(duì)電力電容器帶來(lái)很大的危害.電力電容器對(duì)電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，也會(huì)在電網(wǎng)中形成諧波自諧振，這種自諧振會(huì)放大諧波，危機(jī)電力電容器的安全，自諧振諧波在5次諧波與7次諧波之間.所以，這些電力電容器應(yīng)采用調(diào)諧濾波電容器，這種電容器由電容器和電抗器串聯(lián)組成，能除去自諧振形成的諧波.目前，常用含 6%電抗器的調(diào)諧濾波電容器來(lái)消除5次諧波，用含14%的電抗器的調(diào)諧濾波電容器來(lái)消除7次諧波.一般可以消除30%左右的低次諧波，[5]同時(shí)不會(huì)放大諧波.筆者建議，將文獻(xiàn)[5]中所講的含 60%的電抗器與含 14%電抗器的調(diào)諧濾波電容器配合使用，以達(dá)到較寬范圍地消除諧波的目的.

綜上所述，變頻器調(diào)速技術(shù)使交流傳動(dòng)得以快速發(fā)展，但變頻器引起的諧波會(huì)影響一些電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性及可靠性.諧波污染阻礙電力電子技術(shù)的發(fā)展，也影響人類控制技術(shù)向智能化方向的發(fā)展，所以需要加快對(duì)諧波治理措施的研究及改進(jìn).

當(dāng)前需要把諧波源的抑制技術(shù)和抗諧波干擾的技術(shù)結(jié)合起來(lái)，形成治理諧波污染的系統(tǒng)工程技術(shù)體系，這就需要人們把已使用的諧波治理措施認(rèn)真分析研究，加以改進(jìn)，才能達(dá)到最大限度控制諧波污染的目的.

[1]惠少英.工廠配電系統(tǒng)的變頻器諧波污染及治理[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（21）.

[2]范義敏，魯軍.變頻器諧波的產(chǎn)生、危害及抑制[J].林業(yè)科技情報(bào)，2002（4）.

[3]王海濱，婁國(guó)煥，張文欣.變頻器諧波抑制措施的研究與應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（6）.

[4]張乾業(yè)，范永強(qiáng)，李金廣.變頻器對(duì)配電系統(tǒng)的諧波污染及抑制措施[J].科技風(fēng)，2010（3）.

[5]張永，呂建剛，劉繼光.變頻器諧波產(chǎn)生原因與抑制方法[J].電氣應(yīng)用，2010（3）.