1、引言

 

    采用變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，因其節(jié)能效果顯著、調(diào)節(jié)方便維護(hù)簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)，而被越來越多地應(yīng)用，但它的非線性、沖擊性的用電方式，帶來的干擾問題也倍受人們的關(guān)注。對(duì)于一臺(tái)變頻器來講，它的輸入端和輸出端都會(huì)產(chǎn)生高次諧波，輸入端的諧波還會(huì)通過輸入電源線對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生影響。

 

    2、什么是諧波

 

    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。

 

    諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉(M。FOURIER)分析原理證明，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個(gè)諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次諧波與奇次諧波，第3、5、7次編號(hào)的為奇次諧波，而2、4、6、8等為偶次諧波，如基波為50HZ時(shí)，2次諧波為100HZ，3次諧波則是150HZ。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對(duì)稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。對(duì)于三相整流負(fù)載，出現(xiàn)的諧波電流是6N次諧波，例如5、7、11、13、17、19等，變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。

 

    3、諧波的產(chǎn)生

 

    從結(jié)構(gòu)上來看，變頻器有間接變頻器和直接變頻器之分。間接變頻器將工頻電流通過整流器變成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換成可控頻率的交流。而直接變頻器是將工頻電流直接變換成可控頻率的交流，沒有中間的直流環(huán)節(jié)。它的每相都是一個(gè)兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆電路。正反兩組按一定周期相互切換，在負(fù)荷上就獲得了交變輸出的電壓U0，U0的幅值決定于各整流裝置的控制角，頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率。目前應(yīng)用較多的還是間接變頻器。

 

    間接變頻器有三種不同的結(jié)構(gòu)方式：

 

    (1)用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調(diào)壓和調(diào)頻分別是在兩個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合;

 

    (2)用不控整流器整流斬波器變壓，用逆變器變頻，這種變頻器整流環(huán)節(jié)用斬波器，用脈寬調(diào)壓;

 

    (3)用不控整流器整流，用PWM逆變器變頻，這種變頻器只有采用可控關(guān)斷的全控式器件(如IGBT等)，輸出波形才會(huì)非常逼近正弦波。

 

    無(wú)論哪一種變頻器，都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件，不管采用哪種整流方式，變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式都不是連續(xù)的正弦波，而是以脈動(dòng)的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動(dòng)電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動(dòng)電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上，使電壓發(fā)生畸變，經(jīng)傅里葉級(jí)數(shù)分析可知，這種非同期正弦波電流是由于頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成。

 

    4、諧波的危害

 

    一般來講，變頻器對(duì)容量相對(duì)較大的電力系統(tǒng)影響不很明顯，而對(duì)容量小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視，它對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染。諧波污染對(duì)電力系統(tǒng)的危害是嚴(yán)重的，主要表現(xiàn)在：

 

    (1)諧波對(duì)供電線路產(chǎn)生了附加損耗。由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的浪費(fèi);由于中性線正常時(shí)流過電流很小，故其導(dǎo)線較細(xì)，當(dāng)大量的三次諧波流過中性線時(shí)，會(huì)使導(dǎo)線過熱、絕緣老化、壽命縮短以至損壞;

 

    (2)諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。對(duì)如發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機(jī)械振動(dòng)和噪聲;對(duì)斷路器，當(dāng)電流波形過零點(diǎn)時(shí)，由于諧波的存在可能造成高的DI/DT，這將使開斷困難，并且延長(zhǎng)故障電流的切除時(shí)間;

 

    (3)諧波使電網(wǎng)中的電容器產(chǎn)生諧振。工頻下，系統(tǒng)裝設(shè)的各種用途的電容器比系統(tǒng)中的感抗要大得多，不會(huì)產(chǎn)生諧振，但諧波頻率時(shí)，感抗值成倍增加而容抗值成倍減少，這就有可能出現(xiàn)諧振，諧振將放大諧波電流，導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀;

 

    (4)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)重的責(zé)任事故;

 

    (5)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;諧波對(duì)其他系統(tǒng)及電力用戶危害也很大：如對(duì)附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者出現(xiàn)噪聲，降低通信質(zhì)量，重者丟失信息，使通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作;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，家用電器工況變壞等。

 

    5、諧波的抑制

 

    變頻器給人們帶來極大的方便、高效率和巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對(duì)電網(wǎng)注入了大量的諧波和無(wú)用功，使供電質(zhì)量不斷惡化。另一方面，隨著以計(jì)算機(jī)為代表的大量敏感設(shè)備的普及應(yīng)用，人們對(duì)公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求越來越高，許多國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)制定了各自的諧波標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)也分別于1984年和1993年通過了“電力系統(tǒng)諧波管理規(guī)定”和“GB/T-14549-93標(biāo)準(zhǔn)”，用以限制供電系統(tǒng)及用電設(shè)備的諧波污染。

 

    抑制諧波的總體思路有三個(gè)：其一是裝置諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波;其二是對(duì)電力系統(tǒng)裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控為1;其三是在電網(wǎng)系統(tǒng)中采用適當(dāng)?shù)拇胧﹣硪种浦C波。具體方法有以下幾種：

 

    (1)采用適當(dāng)?shù)碾娍蛊鳌Ｗ冾l器的輸入側(cè)功率因數(shù)取決于裝置內(nèi)部的AC/DC變換電路系統(tǒng)，可利用并聯(lián)功率因數(shù)矯正DC電抗器，電源側(cè)串聯(lián)AC電抗器的方法，使進(jìn)線電流的THDV大約降低30%～50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右;

 

    (2)裝設(shè)有源電力濾波器。除傳統(tǒng)的LC調(diào)試濾波器目前還在應(yīng)用外，當(dāng)前抑制諧波的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用有源電力濾波器，它串聯(lián)或是并聯(lián)于主電路中，實(shí)時(shí)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，從而使電網(wǎng)電流只含基波電流。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，其特性不受系統(tǒng)的影響，無(wú)諧波放大的危險(xiǎn)，因而倍受關(guān)注，在日本等國(guó)已獲得廣泛應(yīng)用;

 

    (3)采用多相脈沖整流。在條件允許或是要求諧波限制在比較小的情況下，可采用多相整流的方法。12相脈沖整流的THDV大約為10%～15%，18相的為3%～8%，完全滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。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;

 

    (4)使用濾波模塊組件。目前市場(chǎng)上有很多專門用于抗傳導(dǎo)干擾的濾波模塊或組件，這些濾波模塊具有較強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)還具有防用電器本身的干擾傳導(dǎo)給電源，有些還兼有吸收尖峰電壓的功能，對(duì)各類用電設(shè)備大有益處;

 

    (5)開發(fā)新型的變流器。大容量的變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術(shù)。幾千瓦到幾百千瓦的高功率因數(shù)整流器主要采用PWM逆變器可構(gòu)成四象限交流調(diào)速變頻器，這種變頻器不但輸出電壓、電流為正弦波，而且輸入電流也為正弦波，且功率因數(shù)為1，還可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞，代表了這一技術(shù)的發(fā)展方向;

 

    (6)選用D-YN11接線組別的三相配電變壓器。三相變壓器中把高壓側(cè)繞組接成三角形，低壓繞組為星型且中性點(diǎn)和“11”連接以保證相電動(dòng)勢(shì)接近于正弦形，從而避免了相電動(dòng)勢(shì)波形畸變的影響。此時(shí)，由地區(qū)低壓電網(wǎng)供電的220V負(fù)荷，線路電流不會(huì)超過30A，可用220V單相供電，否則應(yīng)以220/380V三相四線供電;

 

    減少或削弱變頻器諧波的方法還有：

 

    (1)在變頻器與電動(dòng)機(jī)之間增加交流電抗器，以減少傳輸過程中的電磁輻射;

 

    (2)使用具有間隔層的變壓器，可以將絕大部分的傳導(dǎo)干擾隔離在變壓器之前;

 

    (3)采用具有一定消除高頻干擾的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器;

 

    (4)信號(hào)線與動(dòng)力線分開配線，盡量使用雙膠線降低共膜干擾;

 

    (5)選用具有開關(guān)電源的儀表等低壓電器;

 

    (6)在使用單片機(jī)、PLC等為核心的控制系統(tǒng)中，在編制軟件的時(shí)候適當(dāng)增加對(duì)檢測(cè)信號(hào)和輸出控制部分的軟件濾波，以增加系統(tǒng)自身的抗干擾能力。

 

    6、小結(jié)

 

    變頻器的使用給人們帶來了極大的方便和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，它必將更為廣泛地使用，但是由于它特有的工作方式，給公用電網(wǎng)帶來了一定的破壞，成為電網(wǎng)主要污染源之一，所以，分析和研究抑制諧波的方法將成為一個(gè)非常重要的課題。

 

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