变频器谐波的产生与抑制

摘 要：本文从谐波的概念入手，结合变频器的内部结构的相关知识,详细地分析了变频器谐波产生的原因及其危害,在此基础上提出了抑制谐波的常用方法. 关键词：变频器 谐波 产生 危害 抑制 1 引言 采用变频器驱动的电动机系统,因其节能效果显著、调节方便维护简单、网络化等特点，而被越来越多地应用，但它的非线性、冲击性的用电方式，带来的干扰问题也倍受人们的关注。对于一台变频器来讲，它的输入端和输出端都会产生高次谐波，输入端的谐波还会通过输入电源线对公用电网产生影响。 2 什么是谐波 谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。 谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶（M.Fourier）分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次谐波与奇次谐波，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为100Hz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n次谐波，例如5、7、11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波。谐波定义示意图如图1所示。 3 谐波的产生 从结构上来看，变频器有间接变频器和直接变频器之分。间接变频器将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流。而直接变频器是将工频电流直接变换成可控频率的交流，没有中间的直流环节。它的每相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆电路。正反两组按一定周期相互切换，在负荷上就获得了交变输出的电压U0，U0的幅值决定于各整流装置的控制角，频率决定于两组整流装置的切换频率。目前应用较多的还是间接变频器。 间接变频器有三种不同的结构方式：（1）用可控整流器变压，用逆变器变频，调压和调频分别是在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合；（2）用不控整流器整流斩波器变压，用逆变器变频，这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽调压；（3）用不控整流器整流，用PWM逆变器变频，这种变频器只有采用可控关断的全控式器件（如IGBT等），输出波形才会非常逼近正弦波。 无论哪一种变频器，都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，不管采用哪种整流方式，变频器从电网中吸取能量的方式都不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，经傅里叶级数分析可知，这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。 4 谐波的危害 一般来讲，变频器对容量相对较大的电力系统影响不很明显，而对容量小的系统，谐波产生的干扰就不可忽视，它对公用电网是一种污染。谐波污染对电力系统的危害是严重的，主要表现在： （1）谐波对供电线路产生了附加损耗。由于集肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加而提高，造成电能的浪费；由于中性线正常时流过电流很小，故其导线较细，当大量的三次谐波流过中性线时，会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏； （2）谐波影响各种电气设备的正常工作。对如发电机的旋转电机产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声；对断路器，当电流波形过零点时，由于谐波的存在可能造成高的di／dt，这将使开断困难，并且延长故障电流的切除时间； （3）谐波使电网中的电容器产生谐振。工频下，系统装设的各种用途的电容器比系统中的感抗要大得多，不会产生谐振，但谐波频率时，感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备被烧毁； （4）谐波引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述危害大大增加，甚至引起严重的责任事故； （5）谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差；谐波对其他系统及电力用户危害也很大：如对附近的通信系统产生干扰，轻者出现噪声，降低通信质量，重者丢失信息，使通信系统无法正常工作；影响电子设备工作精度，使精密机械加工的产品质量降低；设备寿命缩短，家用电器工况变坏等。 5 谐波的抑制 变频器给人们带来极大的方便、高效率和巨大的经济效益的同时，对电网注入了大量的谐波和无用功，使供电质量不断恶化。另一方面，随着以计算机为代表的大量敏感设备的普及应用，人们对公用电网的供电质量要求越来越高，许多国家和地区已经制定了各自的谐波标准。我国也分别于1984年和1993年通过了“电力系统谐波管理规定”和“GB/T-14549-93标准”，用以限制供电系统及用电设备的谐波污染。 抑制谐波的总体思路有三个：其一是装置谐波补偿装置来补偿谐波；其二是对电力系统装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控为1；其三是在电网系统中采用适当的措施来抑制谐波。具体方法有以下几种： （1）采用适当的电抗器。变频器的输入侧功率因数取决于装置内部的AC/DC变换电路系统，可利用并联功率因数矫正DC电抗器，电源侧串联AC电抗器的方法，使进线电流的THDV大约降低30%~50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右； （2）装设有源电力滤波器。除传统的LC调试滤波器目前还在应用外，当前抑制谐波的一个重要趋势是采用有源电力滤波器，它串联或是并联于主电路中，实时从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波电流。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，其特性不受系统的影响，无谐波放大的危险，因而倍受关注，在日本等国已获得广泛应用； （3）采用多相脉冲整流。在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下，可采用多相整流的方法。12相脉冲整流的THDV大约为10%~15%，18相的为3%~8%，完全满足国际标准的要求。其缺点是需要专用变压器，不利于设备的改造，成本费用较高； （4）使用滤波模块组件。目前市场上有很多专门用于抗传导干扰的滤波模块或组件，这些滤波模块具有较强的抗干扰能力，同时还具有防用电器本身的干扰传导给电源，有些还兼有吸收尖峰电压的功能，对各类用电设备大有益处； （5）开发新型的变流器。大容量的变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术。几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用PWM逆变器可构成四象限交流调速变频器，这种变频器不但输出电压、电流为正弦波，而且输入电流也为正弦波，且功率因数为1，还可以实现能量的双向传递，代表了这一技术的发展方向； （6）选用D-YN11接线组别的三相配电变压器。三相变压器中把高压侧绕组接成三角形，低压绕组为星型且中性点和“11”连接以保证相电动势接近于正弦形，从而避免了相电动势波形畸变的影响。此时，由地区低压电网供电的220V负荷，线路电流不会超过30A，可用220V单相供电，否则应以220/380V三相四线供电； 减少或削弱变频器谐波的方法还有： （1）在变频器与电动机之间增加交流电抗器，以减少传输过程中的电磁辐射； （2）使用具有间隔层的变压器，可以将绝大部分的传导干扰隔离在变压器之前； （3）采用具有一定消除高频干扰的双积分A/D转换器； （4）信号线与动力线分开配线，尽量使用双胶线降低共膜干扰； （5）选用具有开关电源的仪表等低压电器； （6）在使用单片机、PLC等为核心的控制系统中，在编制软件的时候适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增加系统自身的抗干扰能力。 6 小结 变频器的使用给人们带来了极大的方便和巨大的经济效益，它必将更为广泛地使用，但是由于它特有的工作方式，给公用电网带来了一定的破坏，成为电网主要污染源之一，所以，分析和研究抑制谐波的方法将成为一个非常重要的课题。 参考文献： [1] 韩安荣.通用变频器及其应用.机械工业出版社，北京：2000.09。 [2] 三菱变频调速器FR-A500使用手册。 [3] 三菱变频调速器FR-F500使用手册 作者工作单位：浙江省衢州市巨化集团工程有限公司仪表厂 邮编：324004 联系电话：13676610953 或 0570-3617760 电子邮件: ddggff1108@163.com