變頻器的諧波及常用解決方法

1、變頻器的諧波及常用解決方法摘要：隨著變頻器等電力電子裝置的廣泛使用，系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）日益嚴(yán)重，相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)（即電磁兼容 EMCE 經(jīng)變得越來(lái)越重要。本文從諧波的概念入手，結(jié)合變頻器內(nèi)部相關(guān)知識(shí)，分析諧波的產(chǎn)生及其危害，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合本人多年工作實(shí)踐提出抑制諧波的幾種常用方法。關(guān)鍵詞：變頻器；諧波；抑制；干擾由于變頻器逆變電路的開(kāi)關(guān)特性，對(duì)于其供電電源形成了一個(gè)典型的非線性負(fù)載，變頻器輸出側(cè)電壓、電流、非正弦或非完全正弦波含有豐富的諧波。由于變頻器中要進(jìn)行大功率二極管整流、大功率晶體管逆變，結(jié)果是在輸入輸出回路產(chǎn)生電流高次諧波，干擾供電系統(tǒng)、負(fù)載及其它鄰近電氣設(shè)備。1 諧波的含

2、義諧波產(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數(shù)倍。2 變頻器諧波產(chǎn)生機(jī)理變頻器的主電路一般為交-直-交組成，外部輸入 380Vz50Hz 的工頻電源經(jīng)三相橋式不可控整流成直流電壓信號(hào)，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率可變的交流信號(hào)。輸入側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理：在整流回路中，輸出電壓，電流都將產(chǎn)生因其非線性引起的諧波。以三相橋式整流回路為例，交流電網(wǎng)電壓為正弦波，交流輸入電流的波形為矩形波，對(duì)于此方波，按傅立葉級(jí)數(shù)可分解為基波和各次諧波，通常含有 6x+1（x=l,2,3,.）次諧波。其中的高次

3、諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)，單個(gè)基波和幾個(gè)高次諧波組合在一起稱作畸波。輸出側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理：在逆變輸出回路中，輸出電壓和電流均有諧波。對(duì)于 PWg 制的變頻器，只要是電壓型變頻器，不管是何種 PWM6 制，其輸出電壓波形為矩形波。其中諧波頻率的高低是與變頻器調(diào)制頻率有關(guān)，調(diào)制頻率低（如 12KHz）,人耳聽(tīng)得見(jiàn)高次諧波頻率產(chǎn)生的電磁噪聲（尖叫聲）。若調(diào)制頻率高（如 IGBT 變頻器可達(dá) 20KHz）,人耳聽(tīng)不見(jiàn)，但高頻信號(hào)是客觀存在。從電壓方波及電流正弦鋸齒波，用傅立葉級(jí)數(shù)不難分析出各次諧波的含量。所以，輸出回路電流信號(hào)也可分解為只含正弦波的基波和其它各次諧波，而高次諧波電流對(duì)負(fù)載直接干擾。另外高次

4、諧波電流還通過(guò)電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。3 諧波干擾的危害一般來(lái)講，變頻器對(duì)容量相對(duì)較大的電力系統(tǒng)影響不是很明顯，而對(duì)容量較小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾是不可忽視的，諧波的出現(xiàn)是對(duì)電網(wǎng)的一種污染，它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，給周邊的通訊帶來(lái)危害。4 諧波研究的意義正因?yàn)橹C波有如此大的危害，所以我們要研究它。各種諧波源產(chǎn)生諧波給電力系統(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)中的廣大用戶，而且其污染影響的范圍很廣，距離很遠(yuǎn)。研究諧波的意義，還在于其對(duì)電力電子技術(shù)自身發(fā)展的影響。諧波是電力電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，而它的出現(xiàn)已經(jīng)成為阻礙電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙，它迫使電子領(lǐng)域的人員必須對(duì)

5、諧波問(wèn)題進(jìn)行更加有效的研究。研究諧波是為了維護(hù)“綠色電網(wǎng)”，對(duì)電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，無(wú)諧波就是“綠色”的重要標(biāo)志之一。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)界所必須面對(duì)和解決的問(wèn)題。5 抑制諧波干擾的對(duì)策變頻器在給我們帶來(lái)方便、高效和巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，它也對(duì)我們的電網(wǎng)注入了大量的諧波和無(wú)用功，使供電質(zhì)量不斷惡化。而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，大量敏感設(shè)備的普及，人們對(duì)公用電網(wǎng)的要求越來(lái)越高。所以說(shuō)解決諧波問(wèn)題已成為電子技術(shù)領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急 O抑制諧波的總體思路有三個(gè)。一是用諧波補(bǔ)償?shù)霓k法，其次是對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控為，第三是在系統(tǒng)中抑制諧波。具體方法如下：（1）選用

6、適當(dāng)電抗器。建議在下列情況下串聯(lián)電抗器：1.變頻器電源容量和變頻器容量之比為 10:1 以上，2.三相電壓不平衡較大（A3%）,3.和變頻器同一電源上接有晶閘管設(shè)備或帶有開(kāi)關(guān)控制的功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。另外，基于交流電抗器成本高，體積大，所以只有當(dāng)變頻器功率30kw 才考慮配置。（2）選用適當(dāng)濾波器。在變頻器輸入、輸出電路中，有許多高頻諧波，濾波器用于抑制變頻器產(chǎn)生的電磁干擾噪聲的傳導(dǎo)，也可以抑制外界電信號(hào)干擾及瞬時(shí)沖擊、浪涌對(duì)變頻器本身的干擾。分為輸入、輸出濾波器。輸出濾波器串聯(lián)在變頻器輸出側(cè)，由電感線圈組成，可以減少輸出電流中的高次諧波，抑制變頻器輸出側(cè)的浪涌電壓。在實(shí)際操作接線中要注意濾波器

7、到變頻器和電機(jī)的接線要盡量短，濾波器也要盡量靠近變頻器。輸出濾波器從結(jié)構(gòu)上分 LR 濾波器和 LC 濾波器。根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，變頻器現(xiàn)場(chǎng)配線與接地工作做得好對(duì)抑制諧波干擾一樣有很大幫助。6 抑制諧波干擾實(shí)際運(yùn)用我廠投入使用的 7.5kw 以上的變頻器共有 8 臺(tái)，其中鍍膜玻璃生產(chǎn)線共計(jì) 7 臺(tái)，功率都比較小，而且當(dāng)時(shí)安裝時(shí)都考慮到了高次諧波及控制回路抗干擾問(wèn)題，所以運(yùn)行至今很少因諧波問(wèn)題出現(xiàn)故障。而鋼化玻璃生產(chǎn)線 450Hp 風(fēng)機(jī)由于羅賓康控制板損壞后從廣州貝西電氣有限公司（B&C 購(gòu)回一臺(tái) 380kw 變頻器（BC2000-4T3800G）用于風(fēng)機(jī)控制。在試運(yùn)行期間偶發(fā)出現(xiàn) E-12

8、 過(guò)電流現(xiàn)象，尤其是在生產(chǎn)厚板鋼化玻璃時(shí)由于工藝要求，頻率驟升驟降幅度大且加減速時(shí)間比較短，該變頻器故障頻率明顯上升，實(shí)測(cè)頻率從 28HZ 快速降至 6HZ 時(shí)電流迅速?gòu)?350A 回落至 80A 左右，估計(jì)是控制板檢測(cè)到短時(shí)浪涌電流過(guò)大而啟動(dòng)保護(hù)回路工作或是由于此時(shí)高頻諧波信號(hào)過(guò)強(qiáng)所致， 從該變頻器內(nèi)部構(gòu)造分析入手，發(fā)現(xiàn)功率如此大功率變頻器廠家居然沒(méi)有加裝平滑回路（估計(jì)是考慮到生產(chǎn)成本的原因），經(jīng)過(guò)反復(fù)推敲，決定在其輸出側(cè)串聯(lián)電抗器，另考慮到從 PC 控制中心過(guò)來(lái)的 010VDC 控制電壓信號(hào)距離變頻器較遠(yuǎn)（50m 左右），由于距離控制距離遠(yuǎn)，變頻器本身干擾大，加之電壓信號(hào)不如電流信號(hào)穩(wěn)定等

9、因素，遂在控制柜里將控制電壓信號(hào)用信號(hào)轉(zhuǎn)換器改為 420mA 電流信號(hào)來(lái)控制變頻器，同時(shí)將電機(jī)電纜穿管后埋入電纜溝中，經(jīng)過(guò)以上改動(dòng)后試運(yùn)行至今，故障頻率明顯降低，抑制諧波干擾效果比較理想。近年來(lái)，出于節(jié)能的迫切需要和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的要求，加之變頻器易操作、控制精度高等因素，使變頻器在工廠中的使用越發(fā)的廣泛。然而在此同時(shí)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(lái)潛伏的威脅，如何才能最大限度的抑制由此而來(lái)的諧波問(wèn)題是擺在我們每個(gè)電氣技術(shù)人員面前的課題。本文從諧波產(chǎn)生的原因入手，結(jié)合自己十幾年的實(shí)踐，在此基礎(chǔ)上提出一些抑制諧波的常用方法。當(dāng)然，鑒于筆者水平有限，錯(cuò)誤和疏漏難免，望專家指正，同時(shí)自己也