淺談變頻器諧波危害及解決

一、 引言：
　　采用變頻器驅(qū)動的電動機系統(tǒng),因其節(jié)能效果顯著、調(diào)節(jié)方便維護簡單，而在工業(yè)中得到廣泛應用，在人們享受它便捷的同時，變頻器帶來的干擾問題受到越來越多的技術人員關注。世界許多國家都對諧波問題發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國家標準，由權(quán)威機構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。世界各國所制定的諧波標準大都比較接近。我國國家技術監(jiān)督局于1993年發(fā)布了中華人民共和國國家標準GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，該標準自1994年3月1日起開始實施。
　　二、 變頻器原理及其諧波的產(chǎn)生
　　變頻器是工業(yè)調(diào)速領域中應用較廣泛的設備之一，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，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備。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，電機的轉(zhuǎn)速和電源的頻率是線性關系。
　　變頻器就是利用這一原理將50Hz的工頻電通過整流和逆變轉(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，在開斷過程中，其輸入端和輸出端都會產(chǎn)生高次諧波。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。
　　從結(jié)構(gòu)上來看，變頻器有間接變頻器和直接變頻器之分。目前應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關元件逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流信號。
　　在電力電子裝置大量應用以后，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6m±1(m=1,2,…)次諧波，其中高次諧波干擾電網(wǎng)。單個基波與幾個高次諧波組合一起被稱為畸波（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，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。把　　圖三a的正弦半波分成N個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，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應正弦部分面積（沖量）相等，就得到了圖三b所示脈沖序列，這就是PWM波形。對于正弦波負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波形也稱為SPWM波形。
　　變頻器輸出側(cè)產(chǎn)生諧波機理：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波控制三相的6組功率元件導通/關斷，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產(chǎn)生的，不是標準的正弦波，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的高次諧波成分，高次諧波對設備產(chǎn)生很強的干擾，甚至造成設備不能使用，周圍儀器信號失真。諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經(jīng)負載時，與所加的電壓不呈線性關系，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)，對公用電網(wǎng)是一種污染，它使用電設備所處的環(huán)境惡化，給周圍的通信系統(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設備帶來危害。諧波污染對電力系統(tǒng)的危害嚴重性主要表現(xiàn)在：
　　（1）諧波對供電線路產(chǎn)生了附加諧波損耗。由于集膚效應和鄰近效應，使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的浪費；由于中性線正常時流過電流很小，故其導線較細，當大量的三次諧波電流流過中性線時，會使導線過熱、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備的正常工作。對發(fā)電機的影響除產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機械振動和噪聲和過電壓；對斷路器，當電流波形過零點時，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，導致電容器等設備被燒毀。
（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，甚至引起嚴重事故。
　（5）諧波將使繼電保護和自動裝置出現(xiàn)誤動作，并使儀表和電能計量出現(xiàn)較大誤差；諧波對其他系統(tǒng)及電力用戶危害也很大：如對附近的通信系統(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)無法正常工作；影響電子設備工作精度，使精密機械加工的產(chǎn)品質(zhì)量降低；設備壽命縮短，家用電器工況變壞等。
　　四、 諧波研究的意義
　　諧波研究的意義，首先是因為諧波的危害十分嚴重。各種諧波源產(chǎn)生的諧波給電力系統(tǒng)造成巨大的污染，影響到整個電力系統(tǒng)的運行環(huán)境、包括系統(tǒng)本身的廣大用戶，而且其污染影響的范圍很廣、距離很遠，可能遠比一個工廠對大氣環(huán)境的污染范圍還要大、距離還要遠。
　　諧波研究的意義，還在于其對電力電子技術自身發(fā)展的影響。電力電子技術是未來科學技術發(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發(fā)展的重大障礙，它迫使電力電子領域的研究人員必須對諧波問題進行更為有效的研究。
　　諧波研究更可以上升到從治理環(huán)境污染、維護"綠色電網(wǎng)"的角度來認識。對電力系統(tǒng)這個環(huán)境來說，無諧波就是"綠色"的主要標志之一。在電力電子技術領域，要求實施"綠色電力電子"的呼聲日益高漲。目前，對地球的環(huán)境保護已成為全人類的共識。對電力系統(tǒng)諧波污染的治理已成為電工學科技術界所必須解決的問題。諧波研究的意義還在于對電能質(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）的限值見下表　
電網(wǎng)標稱電壓（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，認為電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓波形為共頻正弦波，其數(shù)學表達式為：
電路中，線性無源元件上的電壓和電流一般具有比例（u=Ri）、微分 ( ) 和積分( )的關系。正弦周期函數(shù)在進行加減乘除和微分、積分的運算時，仍保持正弦函數(shù)的特點，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)之和來表
　將sinω1t項稱為基波，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；其它各項均稱為諧波。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍，所以稱sin3ω1t項為三次諧波，sin5ω1t項為五次諧波……。通常將各奇次的諧波統(tǒng)稱為奇次諧波，偶次的諧波稱為偶次諧波。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，由于對稱關系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。
　但是，以現(xiàn)在的技術水平和經(jīng)濟條件要將產(chǎn)生的高次諧波全部消滅是困難的。當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，作為系統(tǒng)的整體實施在經(jīng)濟、技術上是比較有效的對策。
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