變頻器諧波危害分析及解決措施*

張紅啟

（撫順石化公司工程建設(shè)指揮部設(shè)備部，遼寧撫順113008）

變頻器諧波危害分析及解決措施*

張紅啟

（撫順石化公司工程建設(shè)指揮部設(shè)備部，遼寧撫順113008）

從諧波的概念入手，結(jié)合變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識，分析變頻器諧波產(chǎn)生的原因及其危害，在此基礎(chǔ)上提出了抑制諧波的常用方法。

變頻器；諧波；危害；抑制

在撫順石化工業(yè)生產(chǎn)裝置的調(diào)速傳動領(lǐng)域中，與傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)速相比，用變頻器調(diào)速有諸多優(yōu)點(diǎn)，故其應(yīng)用范圍十分廣泛，但由于變頻器逆變電路的開關(guān)特性，其對供電電源形成了一個典型的非線性負(fù)載，由于目前的變頻器幾乎都采用了脈沖寬度調(diào)制Pulse Width Modulation（縮寫為PWM）控制方式，這樣的脈沖調(diào)制形式使得變頻器運(yùn)行時在電源側(cè)產(chǎn)生高次諧波電流，并造成電壓波形的畸變，對電源系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

1 變頻器原理及其諧波的產(chǎn)生

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源電壓變換為另一頻率的電能控制裝置?，F(xiàn)在使用的變頻器一般采用是交-直-交結(jié)構(gòu)[1-3]（如圖1所示），它是把工頻交流電源（50 Hz）通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后在把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機(jī)，以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成，整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為絕緣柵雙極型晶體管 Insulated Gate Bipolar Transistor（縮寫為IGBT）三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。其中控制電路完成對主電路的控制，變頻調(diào)速裝置用于交流異步電動機(jī)的調(diào)速，調(diào)速范圍廣、節(jié)能顯著、穩(wěn)定可靠[4-6]。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源的頻率是線性關(guān)系。變頻器就是利用這一原理將50 Hz的工頻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，這些都是由非線性原件組成的，在開斷過程中，其輸入端和輸出端都會產(chǎn)生高次的諧波。另外變頻器輸入端的諧波還會通過輸入電源線對公用電網(wǎng)產(chǎn)生影響。

圖1 一般變頻器為交－直－交結(jié)構(gòu)Fig.1 AC-DC-ACstructure of general inverters

從結(jié)構(gòu)上來看，變頻器有交-直-交變頻器和交-交變頻器之分。目前應(yīng)用較多的還是交-直-交變頻器。變頻器電路為交-直-交，外部輸入380 V/50 Hz的工頻電源，經(jīng)三相橋式不可控整流成直流電，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。

變頻器輸入側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理：對于變頻器而言，只要是電源側(cè)有整流回路的，都將產(chǎn)生因非線性引起的諧波。以三相橋式整流電路為例，交流電網(wǎng)電壓為一正弦波，交流輸入電流波形為方波，對于這個波形，按傅氏級數(shù)可分解為基波和各次諧波，通常含有6 m±1（m=1，2，…）次諧波，其中高次諧波干擾電源電網(wǎng)。

變頻器輸出側(cè)產(chǎn)生諧波的機(jī)理：在逆變輸出回路中，輸出電壓和輸出電流均有諧波。由于變頻器是通過CPU產(chǎn)生6組脈寬可調(diào)的SPWM波控制三相6組功率元件的導(dǎo)通/關(guān)斷，從而形成電壓、頻率可調(diào)的三相輸出電壓。其輸出電壓和輸出電流是由SPWM波和三角載波的交點(diǎn)產(chǎn)生的，不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，如電壓型變頻器，其輸出電壓波形為方形波，用傅氏級數(shù)分解電壓方波和電流正弦鋸齒波可分析出包含較強(qiáng)的高次諧波成分，高次諧波對設(shè)備產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾，甚至造成設(shè)備不能使用，周圍儀器儀表信號失真。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，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。

2 諧波的危害

一般來講，變頻器對容量相對較大的電力系統(tǒng)影響不很明顯，而對容量小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視，諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對電源電網(wǎng)是一種污染，它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，給周圍的通信系統(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來危害。諧波污染對電力系統(tǒng)的危害嚴(yán)重性主要表現(xiàn)在：

（1）諧波對供電線路產(chǎn)生了附加諧波損耗。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)；由于中性線正常時流過電流很小，故其導(dǎo)線較細(xì)，當(dāng)大量的三次諧波電流流過中性線時，會使導(dǎo)線過熱、絕緣老化、壽命縮短、損壞甚至發(fā)生火災(zāi)。

（2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。對電動機(jī)的影響產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機(jī)械振動和噪聲以及過電壓；對斷路器，當(dāng)電流波形過零點(diǎn)時，由于諧波的存在可能造成高的di/dt，這將使開斷困難，并且延長故障電流的切除時間。

（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，其容量比系統(tǒng)中的感抗要大得多，不會產(chǎn)生諧振，但諧波頻率時，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）諧波引起電源電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使上述危害性大大的增加，甚至引起嚴(yán)重事故。

（5）諧波將使繼電保護(hù)和自動裝置出現(xiàn)誤動作，并使儀表和電能計量出現(xiàn)較大的誤差；諧波對其它系統(tǒng)及電力用戶危害也很大，如對附近的儀表通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者出現(xiàn)噪聲，降低通信的質(zhì)量，重者丟失信息，使通信系統(tǒng)無法正常工作；影響其它的電子、電氣設(shè)備，使設(shè)備壽命縮短、變壞等。

3 諧波的抑制

變頻器在帶來極大的方便、高效率和巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時，對電網(wǎng)也注入了大量的諧波和無用功，使電網(wǎng)供電質(zhì)量不斷的惡化。另一方面，伴隨著以高科技為代表的大量敏感設(shè)備的普及應(yīng)用，人們對公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求越來越高，許多國家和地區(qū)已經(jīng)制定了各自的諧波標(biāo)準(zhǔn)，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3個：其一是裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波；其二是對電力系統(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。

3.1 選用適當(dāng)?shù)碾娍蛊?/p>

3.1.1 輸入電抗器

在電源與變頻器輸入側(cè)之間串聯(lián)交流電抗器，這樣可使整流阻抗增大來有效抑制高次諧波電流，減少電源浪涌對變頻器的沖擊，改善三相電源的不平衡性，提高輸入電源的功率因數(shù)，這樣進(jìn)線電流的波形畸變大約降低30%～50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。

建議在下列情況下使用輸入交流電抗器：

（1）變頻器所用之處的電源容量與變頻器容量之比為10︰1以上；

（2）同一電源上接有晶閘管設(shè)備或帶有開關(guān)控制的功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；

（3）三相電源的電壓不平衡度較大（≥3%）；

由于交流電抗器體積較大，成本較高，變頻器功率＞30 kW時才考慮配置交流電抗器。

3.1.2 在直流環(huán)節(jié)串聯(lián)直流電抗器

直流電抗器串聯(lián)在直流中間環(huán)節(jié)母線中（端子+，-之間），主要是減小輸入電流的高次諧波成分，提高輸入電源的功率因數(shù)（提高到0.95）。此電抗器可與交流電抗器同時使用，變頻器功率＞30 kW時才考慮配置。

3.1.3 輸出電抗器（電機(jī)電抗器）

由于電動機(jī)與變頻器之間的電纜存在分布電容，尤其是在電纜距離較長，且電纜較粗時，變頻器經(jīng)逆變輸出后調(diào)制方波會在電路上產(chǎn)生一定的過電壓，使電動機(jī)無法正常工作，可以通過在變頻器和電動機(jī)間連接輸出電抗器來進(jìn)行限制。

3.2 選用適當(dāng)濾波器

在變頻器的輸入、輸出電路中，有許多高頻諧波電流，濾波器用于抑制變頻器產(chǎn)生的電磁干擾噪聲的傳導(dǎo)，也可抑制外界無線電干擾以及瞬時沖擊、浪涌對變頻器的干擾。根據(jù)使用位置的不同可以分為輸入濾波器和輸出濾波器。輸入濾波器有2種，線路濾波器和輻射濾波器：

（1）線路濾波器串聯(lián)在變頻器的輸入側(cè)，由電感線圈組成，通過增大電路阻抗減小頻率較高的諧波電流；在需要使用外控端子控制變頻器時，如果控制回路電纜較長，外部環(huán)境的干擾有可能從控制回路電纜侵入，造成變頻器誤動作，此時將線路濾波器串聯(lián)在控制回路電纜上，可以消除干擾。

（2）輻射濾波器并聯(lián)在電源與變頻器的輸入側(cè)，由高頻電容器組成，可以吸收頻率較高具有輻射能量的諧波成分，用于降低噪聲。線路濾波器和輻射濾波器同時使用效果更好。

輸出濾波器串聯(lián)在變頻器的輸出側(cè)，由電感線圈組成，可以減小輸出電流中的高次諧波成分，抑制變頻器輸出側(cè)的浪涌電壓，同時可以減小電動機(jī)由高頻諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩。注意輸出濾波器到變頻器和電機(jī)的接線盡量縮短，濾波器亦應(yīng)盡量靠近變頻器。當(dāng)前抑制諧波的重要趨勢是采用有源電力濾波器，它串聯(lián)或并聯(lián)于主電路中，實(shí)時對電流中高次諧波進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果輸入與高次諧波成分具有相反相位電流，達(dá)到實(shí)時補(bǔ)償諧波電流目的，從而使電網(wǎng)電流只含基波電流。

對于工作性質(zhì)是節(jié)能性的（同時有調(diào)節(jié)作用）大容量的電動機(jī)，為了改善電機(jī)的運(yùn)行工況，降低發(fā)熱量，應(yīng)考慮單獨(dú)串聯(lián)加裝電抗器。對于工作電流較大（基本運(yùn)行在額定容量下）的電動機(jī)，為了減少電機(jī)的發(fā)熱量、降低運(yùn)行電流，使電氣元件的運(yùn)行可靠度提高（空開、斷路器），應(yīng)單獨(dú)串聯(lián)加裝電抗器和濾波器。對于小容量、多臺安裝的變頻裝置，單獨(dú)增加濾波設(shè)備顯然投入太大，且現(xiàn)有空間有限，則應(yīng)考慮在低壓母線上直接安裝有源濾波器。撫順石化原油集中加工、煉油結(jié)構(gòu)調(diào)整技術(shù)改造工程配套項(xiàng)目中小容量的變頻器都在低壓母線上直接安裝有源濾波器。但是在實(shí)際過程中，還應(yīng)當(dāng)盡量避免干擾場的形成。譬如注意將信號導(dǎo)線遠(yuǎn)離動力線；合理布線，減少雜散磁場的產(chǎn)生；對變壓器等電器元件加以磁屏蔽等等，采取主動隔離的措施。3.3 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相脈沖整流的畸變大約為10%～15%，18相的為3%～8%，完全滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。其缺點(diǎn)是需要專用的變壓器，不利于設(shè)備改造，成本費(fèi)用較高。

3.4 減少或削弱變頻器諧波的方法

（1）當(dāng)電動機(jī)電纜長度＞50 m或80 m（非屏蔽）時，為了防止電動機(jī)啟動時的瞬時過零電壓，在變頻器與電動機(jī)之間安裝交流電抗器；

（2）當(dāng)設(shè)備附近環(huán)境有電磁干擾時，加裝抗射頻干擾濾波器；

（3）使用具有隔離的變壓器，可以將電源側(cè)絕大部分的傳導(dǎo)干擾隔離在變壓器之前；

（4）合理布線，屏蔽輻射，在電動機(jī)與變頻器之間的電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜，并和其他弱電信號線分走不同的電纜溝敷設(shè)，降低線路干擾，變頻器使用專用接地線等；

（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，在編制軟件的時候適當(dāng)增加對檢測信號和輸出控制部分的信號濾波，以增加系統(tǒng)自身的抗干擾能力。

4 結(jié)論

變頻調(diào)速的應(yīng)用使交流傳動上了一個新臺階，但變頻器諧波干擾的嚴(yán)重性也給設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行帶來潛在威脅，如何才能最大限度的抑制變頻器諧波產(chǎn)生仍是擺在現(xiàn)今電氣技術(shù)人員面前有待解決的最大課題。本文從諧波的概念入手，分析變頻器諧波產(chǎn)生的原因及其危害,在此基礎(chǔ)上提出了抑制諧波的常用方法，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。對現(xiàn)場出現(xiàn)的各種變頻器高次諧波干擾，基本上都能照以上介紹的方法順利抑制諧波干擾。

[1]韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]王仁祥，王小曼.通用變頻器選型、應(yīng)用與維護(hù)[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[3]魏召剛.工業(yè)變頻器原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[4]吳忠智，吳加林.變頻器原理及應(yīng)用指南[M].北京：中國電力出版社，2007.

[5]張選正，張金遠(yuǎn).變頻器應(yīng)用技術(shù)與實(shí)踐[M].北京：中國電力出版社，2009.

[6]李元國.變頻器應(yīng)用與維護(hù)[M].北京：中國電力出版社，2009.

Hazard Analysis of Inverter Harmonic and Solutions

ZHANGHong-qi
（FushunPetrochemical Company ConstructionEquipmentDivisionheadquarters，Liaoning Fushun113008，China）

Starting fromthe conceptof harmonic，combined with knowledge of the internal structure of inverter，causes of producing inverter harmonic were analyzed as well as its hazards，then common methods of harmonic suppression was putforward.

Inverter；Harmonic；Hazard；Suppression

TN773

A

1671-0460（2010）04-0449-03

2010-06-05

張紅啟（1979-），男，河南遂平人，工程師，注冊安全師，2003年畢業(yè)于鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事電氣管理工作。E-mail：zhq123@petrochina.com.cn，電話：（0413）2992111-223583。