淺談變頻器諧波危害及解決

一、 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，而在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，在人們享受它便捷的同時(shí)，變頻器帶來(lái)的干擾問(wèn)題受到越來(lái)越多的技術(shù)人員關(guān)注。世界許多國(guó)家都對(duì)諧波問(wèn)題發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。世界各國(guó)所制定的諧波標(biāo)準(zhǔn)大都比較接近。我國(guó)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局于1993年發(fā)布了中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，該標(biāo)準(zhǔn)自1994年3月1日起開(kāi)始實(shí)施。
　　二、 變頻器原理及其諧波的產(chǎn)生
　　變頻器是工業(yè)調(diào)速領(lǐng)域中應(yīng)用較廣泛的設(shè)備之一，目前已在石化企業(yè)大量使用。變頻器一般采用是交-直-交結(jié)構(gòu)（如圖一所示），它是把工頻（50HZ）變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。其中控制電路完成對(duì)主電路的控制，變頻調(diào)速裝置用于交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，調(diào)速范圍廣、節(jié)能顯著、穩(wěn)定可靠
　　　　（圖一）一般通用變頻器為交－直－交結(jié)構(gòu)
　　眾所周知，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50Hz的工頻電通過(guò)整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)方向的交流電源。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(kāi)斷過(guò)程中，其輸入端和輸出端都會(huì)產(chǎn)生高次諧波。另外變頻器輸入端的諧波還會(huì)通過(guò)輸入電源線對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生影響。
　　從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，變頻器有間接變頻器和直接變頻器之分。目前應(yīng)用較多的還是間接變頻器。間接變頻器主電路為交-直-交，外部輸入380V/50HZ工頻電源，經(jīng)三相橋式不可控整流成直流電壓，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開(kāi)關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流信號(hào)。
　　在電力電子裝置大量應(yīng)用以后，電力電子裝置成為比較主要的諧波源。
　　變頻器輸入側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理：對(duì)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(duì)于這個(gè)波形，按傅氏級(jí)數(shù)可分解為基波和各次諧波，通常含有6m±1(m=1,2,…)次諧波，其中高次諧波干擾電網(wǎng)。單個(gè)基波與幾個(gè)高次諧波組合一起被稱(chēng)為畸波（如圖二）。　　　　
（圖二） 基波與高次諧波 畸波　　　　
（圖三） PWM控制的基本原理示意圖
　　在采樣控制中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。此結(jié)論是PWM控制的重要理論基礎(chǔ)。把　　圖三a的正弦半波分成N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈寬相等，都等于，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（沖量）相等，就得到了圖三b所示脈沖序列，這就是PWM波形。對(duì)于正弦波負(fù)半周用同樣辦法也可以得到PWM波形。像這種把正弦波等效的PWM波形也稱(chēng)為SPWM波形。
　　變頻器輸出側(cè)產(chǎn)生諧波機(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(guò)CPU產(chǎn)生6組脈寬可調(diào)的SPWM波控制三相的6組功率元件導(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(jí)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(duì)設(shè)備產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾，甚至造成設(shè)備不能使用，周?chē)鷥x器信號(hào)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(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。
　　三、 諧波的危害
　　一般來(lái)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，諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染，它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，給周?chē)耐ㄐ畔到y(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來(lái)危害。諧波污染對(duì)電力系統(tǒng)的危害嚴(yán)重性主要表現(xiàn)在：
　　（1）諧波對(duì)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(shí)流過(guò)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(guò)中性線時(shí)，會(huì)使導(dǎo)線過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短、損壞甚至發(fā)生火
　　（2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。對(duì)發(fā)電機(jī)的影響除產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機(jī)械振動(dòng)和噪聲和過(guò)電壓；對(duì)斷路器，當(dāng)電流波形過(guò)零點(diǎn)時(shí)，由于諧波的存在可能造成高的di／dt，這將使開(kāi)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其電路比系統(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(hù)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。
　　四、 諧波研究的意義
　　諧波研究的意義，首先是因?yàn)橹C波的危害十分嚴(yán)重。各種諧波源產(chǎn)生的諧波給電力系統(tǒng)造成巨大的污染，影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、包括系統(tǒng)本身的廣大用戶(hù)，而且其污染影響的范圍很廣、距離很遠(yuǎn)，可能遠(yuǎn)比一個(gè)工廠對(duì)大氣環(huán)境的污染范圍還要大、距離還要遠(yuǎn)。
　　諧波研究的意義，還在于其對(duì)電力電子技術(shù)自身發(fā)展的影響。電力電子技術(shù)是未來(lái)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要支柱。然而，電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染已成為阻礙電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙，它迫使電力電子領(lǐng)域的研究人員必須對(duì)諧波問(wèn)題進(jìn)行更為有效的研究。
　　諧波研究更可以上升到從治理環(huán)境污染、維護(hù)"綠色電網(wǎng)"的角度來(lái)認(rèn)識(shí)。對(duì)電力系統(tǒng)這個(gè)環(huán)境來(lái)說(shuō)，無(wú)諧波就是"綠色"的主要標(biāo)志之一。在電力電子技術(shù)領(lǐng)域，要求實(shí)施"綠色電力電子"的呼聲日益高漲。目前，對(duì)地球的環(huán)境保護(hù)已成為全人類(lèi)的共識(shí)。對(duì)電力系統(tǒng)諧波污染的治理已成為電工學(xué)科技術(shù)界所必須解決的問(wèn)題。諧波研究的意義還在于對(duì)電能質(zhì)量這一概念的理解。
　　諧波電壓限值、公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）的限值見(jiàn)下表　
電網(wǎng)標(biāo)稱(chēng)電壓（KV） 　　
電壓總諧波畸變率（%） 　　
各次諧波電壓含有率（%　　
奇次 　　
偶次 　　
0.38 　　
5.0 　　
4.0 　　
2.0 　　
6 　　
4.0 　　
3.2 　　
1.0 　　
10 　　
35 　　
3.0 　　
2.4 　　
1.2
供電系統(tǒng)中，認(rèn)為電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓波形為共頻正弦波，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
電路中，線性無(wú)源元件上的電壓和電流一般具有比例（u=Ri）、微分 ( ) 和積分( )的關(guān)系。正弦周期函數(shù)在進(jìn)行加減乘除和微分、積分的運(yùn)算時(shí)，仍保持正弦函數(shù)的特點(diǎn)，所以要求電網(wǎng)盡可能由正弦波形的電源供電。但由于非線性負(fù)載的存在，電網(wǎng)電壓往往偏離正弦波形而發(fā)生畸變。畸變波形可以由一系列不同頻率的正弦函數(shù)之和來(lái)表
　將sinω1t項(xiàng)稱(chēng)為基波，其周期與未發(fā)生畸變的波形的周期相同，在電網(wǎng)中就是工頻電壓的周期；其它各項(xiàng)均稱(chēng)為諧波。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍，所以稱(chēng)sin3ω1t項(xiàng)為三次諧波，sin5ω1t項(xiàng)為五次諧波……。通常將各奇次的諧波統(tǒng)稱(chēng)為奇次諧波，偶次的諧波稱(chēng)為偶次諧波。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更大。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對(duì)稱(chēng)關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。
　但是，以現(xiàn)在的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件要將產(chǎn)生的高次諧波全部消滅是困難的。當(dāng)前必須把高次諧波發(fā)生側(cè)和受到高次諧波干擾的裝置側(cè)協(xié)調(diào)起來(lái)，作為系統(tǒng)的整體實(shí)施在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上是比較有效的對(duì)策。
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