淺談變頻器諧波危害及解決

一、 引言：
　　采用變頻器驅動的電動機系統,因其節能效果顯著、調節方便維護簡單，而在工業中得到廣泛應用，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布了限制電網諧波的國家標準，由權威機構制定限制諧波的規定。世界各國所制定的諧波標準大都比較接近。我國國家技術監督局于1993年發布了中華人民共和國國家標準GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》，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生
　　變頻器是工業調速領域中應用較廣泛的設備之一，目前已在石化企業大量使用。變頻器一般采用是交-直-交結構（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，變頻調速裝置用于交流異步電動機的調速，調速范圍廣、節能顯著、穩定可靠
　　　　（圖一）一般通用變頻器為交－直－交結構
　　眾所周知，電機的轉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換為頻率可調方向的交流電源。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產生影響。
　　從結構上來看，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，經三相橋式不可控整流成直流電壓，經濾波電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可調的交流信號。
　　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。
　　變頻器輸入側產生諧波機理：對于變頻器而言，只要是電源側有整流回路的，都將產生因非線性引起的諧波。以三相橋整流電路為例，交流電網電壓為一正弦波，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。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論：沖量相等而形狀不同窄脈沖加在具有慣性環節上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。此結論是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律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數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。
　　變頻器輸出側產生諧波機理：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產生6組脈寬可調的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。諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，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影響不很明顯，而對容量小的系統，諧波產生的干擾就不可忽視，諧波電流和諧波電壓的出現，對公用電網是一種污染，它使用電設備所處的環境惡化，給周圍的通信系統和公用電網以外的設備帶來危害。諧波污染對電力系統的危害嚴重性主要表現在：
　　（1）諧波對供電線路產生了附加諧波損耗。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、損壞甚至發生火
　　（2）諧波影響各種電氣設備的正常工作。對發電機的影響除產生附加功率損耗、發熱、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）諧波使電網中的電容器產生諧振。工頻下，系統裝設的各種用途的電容器其電路比系統中的感抗要大得多，不會產生諧振，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）諧波引起公用電網局部的并聯諧振和串聯諧振，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誤動作，并使儀表和電能計量出現較大誤差；諧波對其他系統及電力用戶危害也很大：如對附近的通信系統產生干擾，輕者出現噪聲，降低通信質量，重者丟失信息，使通信系統無法正常工作；影響電子設備工作精度，使精密機械加工的產品質量降低；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。各種諧波源產生的諧波給電力系統造成巨大的污染，影響到整個電力系統的運行環境、包括系統本身的廣大用戶，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展的影響。電力電子技術是未來科學技術發展的重要支柱。然而，電力電子裝置所產生的諧波污染已成為阻礙電子技術發展的重大障礙，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境污染、維護"綠色電網"的角度來認識。對電力系統這個環境來說，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，對地球的環境保護已成為全人類的共識。對電力系統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量這一概念的理解。
　　諧波電壓限值、公用電網諧波電壓（相電壓）的限值見下表　
電網標稱電壓（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
供電系統中，認為電網的穩態電壓波形為共頻正弦波，其數學表達式為：
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。正弦周期函數在進行加減乘除和微分、積分的運算時，仍保持正弦函數的特點，所以要求電網盡可能由正弦波形的電源供電。但由于非線性負載的存在，電網電壓往往偏離正弦波形而發生畸變。畸變波形可以由一系列不同頻率的正弦函數之和來表
　將sinω1t項稱為基波，其周期與未發生畸變的波形的周期相同，在電網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。在平衡的三相系統中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。
　但是，以現在的技術水平和經濟條件要將產生的高次諧波全部消滅是困難的。當前必須把高次諧波發生側和受到高次諧波干擾的裝置側協調起來，作為系統的整體實施在經濟、技術上是比較有效的對策。
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