變頻器諧波干擾及其防治措施

王禹杰

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司漳村煤礦，山西 長治 046032）

引言

隨著社會的發(fā)展科技的進步，以及節(jié)能減排政策在我國的不斷推進，變頻器這種調(diào)速和節(jié)能的設備也越來越多的被應用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，但無論是交—直—交變頻器還是交—交變頻器，其輸入與輸出端在工作時，都會有大量的諧波產(chǎn)生，這些諧波不僅會產(chǎn)生大量附加諧波損耗在供電線路中，還會在電容器組中產(chǎn)生諧振，并且還會出現(xiàn)大量的誤差或誤動作在整個弱電系統(tǒng)設備中，對各種電氣設備的正常工作，都會產(chǎn)生嚴重的影響。針對變頻器諧波的這些危害，必須采取相應的措施進行抑制。

1 抑制諧波的整體思路

根據(jù)諧波產(chǎn)生的原因以及諧波的危害，抑制諧波的大致思路可以首先從對電力系統(tǒng)裝置本身的改造工作入手，使其從源頭上無法產(chǎn)生諧波；其次，可以通過安裝諧波補償裝置的方式來對諧波進行有效的補償；最后，可以通過采取其他措施的方式來對諧波加以適當?shù)囊种?。比如說可以在整個供電控制系統(tǒng)中加裝一些電抗器、濾波器、采用多相脈沖整流，采取科學合理的接地方式，單獨對變頻器加裝供電電源，合理布線等等方式來抑制諧波。

2 變頻器諧波的產(chǎn)生原理

交—直—交變頻器和交—交變頻器是變頻器的主要分類，下面主要以低壓交—直—交變頻器產(chǎn)生諧波的原理為例來對變頻器諧波產(chǎn)生的原理進行一下簡單的介紹，見圖1。

圖1 交直交型變頻器主電路及其輸出波形

整流AC／DC和逆變DC／AC是交直交型變頻器電路主要包含的兩部分。具體如圖1－1所示，把電容器接到P＋與N 一之間，變頻器電源輸入輸出電壓、電流波形如圖1－2所示。

在變頻器的輸入部分即圖1－1中R、S、T端輸入頻率為50Hz的交流電，由圖1－2可知電壓主波形為正弦波，電流主波形為非正弦波，存在一定的諧波。

在變頻器的輸出部分即圖中的U、V、W 端，由圖1－2可知，輸出的電流波形是帶有毛刺的正弦波，輸出的電壓波形則是正弦形式的脈沖，這種脈沖呈幅值相等的矩形狀，可以等效為連續(xù)的矩形波，由此可見很多高次諧波都存在于變頻器的輸出電流信號與電壓信號中。

3 變頻器諧波的危害

1）使供電線路產(chǎn)生附加諧波損耗。變頻器頻率的升高會直接影響到線路的阻抗，會使線路的阻抗增大，使得線路產(chǎn)生大量的電耗，并且會使線路的溫度升高，這種現(xiàn)象表現(xiàn)最為突出的情況是在大量三次諧波相互疊加的中性線上，會嚴重干擾線路附帶的各種微電子設備正常工作。如果中性線較細發(fā)熱現(xiàn)象會比較明顯，會嚴重加速線路絕緣層的老化速度，縮短線路的使用壽命。

2）會使電容器組產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。對高次諧波，電容器阻抗減小。由于電容器常常串聯(lián)或并聯(lián)在電網(wǎng)中，它常常會和電網(wǎng)電感形成串聯(lián)或并聯(lián)電路，這樣很容易造成諧波共振現(xiàn)象的發(fā)生，使諧波電壓或電流被放大，諧波的危害加重。

3）會使各電氣設備的正常工作受到影響。一旦在電網(wǎng)中混入變頻器的諧波，很容易導致各種電感設備的絕緣受到破壞，并且會使設備發(fā)生過熱現(xiàn)象，使設備的壽命縮短，影響到設備的工作效率。此外一些儀表指示設備和電能計量設備的精度也會受到諧波干擾的影響，使這些設備的測量精度嚴重降低，增加自動裝置和繼電保護的誤動作，對通訊系統(tǒng)形成干擾等。

4）增加一些弱電設備的誤差或誤動作。比如說有線電視系統(tǒng)、網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)和一些計算機系統(tǒng)，諧波通常會通過傳導、靜電感應方式或電磁感應方式進入多系統(tǒng)中，對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

4 變頻器諧波的防治措施

4.1 選用適當?shù)碾娍蛊?/h3>

1）輸入電抗器ACL。在變頻器的交流進線側(cè)安裝輸入電抗器ACL，可以使電路的整流阻抗增大，短路容量比RSC 低，ACL 可以使電源的浪涌電流減少，使電流對變頻器的沖擊減小，大約可以降低30%～50%的諧波電流畸變率，可以對三相電流的不平衡性有效降低，從而對諧波電流進行降低。由于交流電抗器成本較高，體積也比較大，建議在使用的變頻器功率大于30kW 時，才對是否配置交流電抗器加以考慮。

2）串聯(lián)直流電抗器DCL。由于直流電抗器DCL 為單相且體積小結(jié)構(gòu)簡單，在中間環(huán)節(jié)母線P＋與N—之間串聯(lián)直流電抗器，可以對輸入電流的高次諧波進行有效的減少，且它的濾波效果相對較好，可以和交流電抗器同時配合使用。

3）輸出電抗器。如果所使用的連接變頻器與電機的電纜較粗也較長時，大量的分布電容會存在于這段連接線上。在變頻器逆變輸出后，由于調(diào)制方波會產(chǎn)生過電壓，常常導致電動機無法正常使用。這時可以采用輸出電抗器來對電動機的電壓振動效應進行抑制，對變頻器的感應和發(fā)射干擾進行抑制。建議在連接變頻器與電機的電纜大于60m 時，為防止電機啟動時的過電壓，應把電機電抗器安裝在變頻器與電動機之間。

4.2 選用適當?shù)臑V波器

由于在變頻器的輸入和輸出回路中，存在著大量的高頻諧波電流，而濾波器可以對瞬時沖擊、浪涌、無線電干擾、電磁干擾起到很好的抑制作用，所以可以采用線路中加裝濾波器的方法來降低諧波。根據(jù)安裝地點的不同，可把濾波器分為輸入濾波器和輸出濾波器。

1）輸入濾波器。輸入濾波器大致又可以分為線路濾波和輻射濾波兩種，主要由電感線圈組成的是線路濾波器，它主要是在變頻器的輸入側(cè)串聯(lián)線路濾波器來增大線路的高頻線路阻抗，使頻率較高的諧波電流消弱，以使線路抵抗外部干擾的能力增強從而實現(xiàn)濾波效果。主要由高頻電容組成的濾波器是輻射濾波器，在線路輸入側(cè)并聯(lián)輻射濾波器，可以把具有輻射能量、高頻率的諧波成分很好的吸收，它主要用來對一些無線電噪聲進行降低。要想使線路輸入濾波有較好的效果，最好輻射濾波器和線路濾波器能配套使用。

2）輸出濾波器。輸出濾波器主要由電感線圈組成，并且串聯(lián)在變頻器的輸出側(cè)，它能消弱電動機中由高次諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩，有效抑制變頻器輸出側(cè)的浪涌電壓。這種濾波器在接線時，應盡量縮短輸出濾波器和變頻器以及電機之間的接線。

4.3 采用多相脈沖整流方式

這種整流方式主要用于系統(tǒng)對諧波限制比較小的情況下，且有專用的變壓器，只有條件應許時才可使用。

4.4 對干擾進行抑制和防止

對干擾進行抑制和防止的一個重要手段就是接地，科學、合理的接地方式可以有效地抑制系統(tǒng)外來干擾，并且降低設備本身對外界的干擾。這種濾波方式在變頻器接地導線的選用上，最好用20m 以內(nèi)的，且橫截面積大于2.5m2的扁平銅電纜。

5 結(jié)語

隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的飛速發(fā)展，變頻器的使用范圍也越來越廣，其諧波污染和電磁干擾現(xiàn)象也越來越突出，為了能更好地降低變頻器的諧波污染，應根據(jù)具體的工程實際要求，來選擇合理的濾波和補償方案，才能對諧波進行有效地抑制，同時對無功功率進行補償。

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