通用變頻器應(yīng)用中的問題與抑制方法的探討

朱晶波

（長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車分院，吉林 長春130033）

1 變頻器諧波產(chǎn)生機(jī)理

變頻器調(diào)速技術(shù)是集自動控制、微電子、電力電子、通信等技術(shù)于一體的高科技技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，變頻器以其具有節(jié)電、節(jié)能、可靠、高效的特性應(yīng)用到了工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域中，保證了調(diào)節(jié)精度，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了經(jīng)濟(jì)效益，但隨之也帶來了一些干擾問題?，F(xiàn)場的供電和用電設(shè)備會對變頻器產(chǎn)生影響，變頻器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高次諧波也會干擾周圍設(shè)備的運(yùn)行。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(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓信號，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率可變的交流信號。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級數(shù)分解為基波和各次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。在逆變輸出回路中，輸出電流信號是受PWM載波信號調(diào)制的脈沖波形，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最高載頻可達(dá)15kHz。同樣，輸出回路電流信號也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，而高次諧波電流對負(fù)載直接干擾。另外高次諧波電流還通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。

2 變頻器產(chǎn)生的干擾

變頻器產(chǎn)生的干擾主要有三種：對電子設(shè)備的干擾、對通信設(shè)備的干擾及對無線電等產(chǎn)生的干擾。對計(jì)算機(jī)和自動控制裝置等電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾主要是感應(yīng)干擾；對通信設(shè)備和無線電等產(chǎn)生的干擾為放射干擾。因此，以變頻器為代表的電力電子裝置是公用電網(wǎng)中最主要的諧波源之一，電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染已成為阻礙電力電子技術(shù)自身發(fā)展的重大障礙。如果變頻器的干擾問題解決不好，不但系統(tǒng)無法可靠運(yùn)行，還會影響其他電子、電氣設(shè)備的正常工作。因此有必要對變頻器應(yīng)用系統(tǒng)中的干擾問題進(jìn)行探討，以促進(jìn)其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。下面主要討論變頻器的干擾及其抑制方法。

3 抑制諧波干擾常用的方法

治理諧波問題，抑制輻射干擾和供電系統(tǒng)干擾，可采取屏蔽，隔離，接地及濾波等技術(shù)手段。諧波的傳播途徑是傳導(dǎo)和輻射，解決傳導(dǎo)干擾主要是在電路中把傳導(dǎo)的高頻電流濾掉或者隔離；解決輻射干擾就是對輻射源或被干擾的線路進(jìn)行屏蔽。抑制諧波干擾常用方法具體說明如下。

3．1 安裝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(wěn)定、不改變的系統(tǒng)。而使用有源濾波器主要是用于補(bǔ)償非線性負(fù)載。傳統(tǒng)的方式多選用無源濾波器，無源濾波器出現(xiàn)最早，因其結(jié)構(gòu)簡單、投資少、運(yùn)行可靠性較高以及運(yùn)行費(fèi)用較低，至今仍是諧波抑制的主要手段。LC濾波器是傳統(tǒng)的無源諧波抑制裝置，它由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，與諧波源并聯(lián)，除具有濾波作用外，還有無功補(bǔ)償?shù)淖饔?。這種裝置存在一些較難克服的缺點(diǎn)，主要是容易過載，在過載時(shí)會被損壞，可能造成功率因數(shù)達(dá)不到要求而被罰款；另外，無源濾波器不能受控，因此隨著時(shí)間的推移，配件老化或電網(wǎng)負(fù)載的變動，會使諧振頻率發(fā)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份(如有的濾波器只能濾除三次諧波)，如果過濾不同的諧波頻率，則要分別用不同的濾波器，需要增加設(shè)備投資。

國內(nèi)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(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。有源電力濾波器(APF)理論在20世紀(jì)60年代形成，后來隨著大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟，脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制技術(shù)的進(jìn)步以及基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測方法的提出，有源電力濾波器得以迅速發(fā)展。其基本原理是從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流頻譜，以抵消原線路諧波源所產(chǎn)生的諧波，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。其中核心部分是諧波電流發(fā)生器與控制系統(tǒng)，即其工作靠數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)控制快速絕緣雙極晶體管(1GBT)來完成。

目前，在具體的諧波治理方面，出現(xiàn)了無源濾波器(LC濾波器)與有源濾波器互補(bǔ)混合使用的方式，充分發(fā)揮LC濾波器結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)、成本低，有源電力濾波器補(bǔ)償性能好的優(yōu)點(diǎn)，克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點(diǎn)，兩者結(jié)合使用，從而使整個(gè)系統(tǒng)獲得良好的性能。

3．2 變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該注意的問題

另外在設(shè)備安裝布置變頻器時(shí)，盡量單獨(dú)放置，把變頻器與易受干擾的弱電設(shè)備分開布置；盡量減少控制系統(tǒng)與變頻器的連線，以免線路傳導(dǎo)干擾；控制變頻調(diào)速電機(jī)一般通過自帶的控制功能實(shí)現(xiàn)；注意變頻器對電網(wǎng)的干擾，主要通過無功自動補(bǔ)償裝置以提高功率因數(shù)，還可通過在變頻器電源進(jìn)線側(cè)加裝電抗器的方法來減少對電網(wǎng)的影響；還要注意限制最低轉(zhuǎn)速，在電機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)，噪聲大，電機(jī)冷卻能力下降，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大或滿載情況下，容易造成電機(jī)的損害或燒毀，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮增大額定功率或增加輔助的冷卻措施；同時(shí)注意防止發(fā)生共振現(xiàn)象，預(yù)先找到負(fù)載固有的共振頻率，利用變頻器頻率跳躍功能設(shè)置，遠(yuǎn)離共振頻率點(diǎn)，避免設(shè)備因此出現(xiàn)故障。

3．3 減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法

諧波產(chǎn)生的根本原因是由于使用了非線性負(fù)載，因此，解決的根本辦法是把產(chǎn)生諧波的負(fù)載的供電線路和對諧波敏感的負(fù)載的供電線路分開。由于非線性負(fù)載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產(chǎn)生一個(gè)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它負(fù)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(shí)現(xiàn)。從分析可知，可以將線性負(fù)載與非線性負(fù)載從同一電源接口點(diǎn)(PCC)就開始以分別的電路供電，這樣可以使由非線性負(fù)載產(chǎn)生的畸變電壓不會傳導(dǎo)到線性負(fù)載上去。這是目前治理諧波問題較為理想的解決方案。

3．4 使用無諧波污染的綠色變頻器

綠色變頻器的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(fù)載時(shí)都能使功率因數(shù)為1，可獲得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，它能很好地抑制諧波，同時(shí)可以保護(hù)整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響，實(shí)踐表明，不帶電抗器的諧波電流明顯高于帶電抗器產(chǎn)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。

對現(xiàn)場出現(xiàn)的各種變頻器高次諧波干擾，基本上都能按照以上介紹的方法順利抑制，但對諧波成分及幅度要求很嚴(yán)的設(shè)備，徹底抑制高次諧波干擾非常困難，有待進(jìn)一步攻關(guān)解決。

綜上所述，可以清楚地了解諧波產(chǎn)生的原因，在具體治理上可切斷諧波傳輸路徑及開發(fā)使用無諧波污染的綠色變頻器等方法，將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍內(nèi)，達(dá)到科學(xué)合理用電，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質(zhì)量。隨著新技術(shù)和新理論不斷在變頻器上的應(yīng)用，變頻器應(yīng)用存在的這些問題有望通過變頻器本身的功能和補(bǔ)償來解決。隨著工業(yè)現(xiàn)場和社會環(huán)境對變頻器的要求不斷提高，滿足實(shí)際需要的真正“綠色”變頻器應(yīng)用會越來越廣泛。