一變頻器諧波定義

　　變頻器諧波是變頻器運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)輸入電源用大功率二極管整流（或晶體管/逆變模塊）進(jìn)行逆變；在其逆變過(guò)程中，在輸入輸出回路產(chǎn)生的高次諧波； 變頻器諧波對(duì)供電系統(tǒng)、負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾。

二變頻器諧波產(chǎn)生機(jī)理

01變頻器輸入端諧波產(chǎn)生機(jī)理

　　變頻器的主電路一般為交一直一交組成，外部輸入380V/50Hz的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓，經(jīng)電容濾波及大功率晶體管開(kāi)關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流電壓。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和各次諧波，諧波次數(shù)通常為6n±1次高次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。如果電源側(cè)電抗充分小、換流重疊角"可以忽略，那么n次高次諧波為基波電流的1/n。

02變頻器輸出端諧波產(chǎn)生機(jī)理

　　在逆變輸出回路中，輸出電流信號(hào)是受PWM載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形。對(duì)于GTR大功率逆變?cè)銹WM的載波頻率為2-3kHz，而IGBT大功率逆變?cè)腜WM最高載頻可達(dá)15kHz。同樣，輸出回路電流信號(hào)也可分解為只含基波和其他各次諧波。

三變頻器諧波特性

　　1、變頻器諧波有功功率是由非線(xiàn)性負(fù)荷產(chǎn)生；

　　2、變頻器諧波有功方向與基波有功方向相反，即由用戶(hù)端送入電網(wǎng)；

　　3、對(duì)于變頻器諧波源用戶(hù)而言，其計(jì)量入口處的總有功將是基波有功和諧波有功之代數(shù)和（實(shí)為相減）；

　　4、非線(xiàn)性負(fù)荷在其工作過(guò)程中將基波的部分功率轉(zhuǎn)變成諧波有功，諧波有功將在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)流動(dòng)，并在各輸配電元件和其他設(shè)備中產(chǎn)生損耗和干擾；

四變頻器諧波危害

　　通常來(lái)講，變頻器諧波對(duì)容量相對(duì)較大的電力系統(tǒng)影響不很明顯；而對(duì)容量小的電力系統(tǒng)，變頻器諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視，它對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染。

　　變頻器諧波污染對(duì)電力系統(tǒng)的危害是嚴(yán)重的，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

01變頻器諧波降低電力設(shè)備使用壽命

　　如變頻器電流諧波將會(huì)使變壓器的銅損增加。變頻器電壓諧波將增加鐵損，使其溫度上升，影響絕緣能力，并造成容量裕度減小。同時(shí)變頻器諧波也可能引起變壓器繞組及線(xiàn)間電容之間的共振。

02變頻器諧波影響各電器元件正常工作

　　變頻器輸出諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響有：電機(jī)附加發(fā)熱使電機(jī)額外升溫；產(chǎn)生機(jī)械震動(dòng)、噪音及過(guò)電流。變頻器諧波會(huì)使電力電容發(fā)生過(guò)載、過(guò)熱甚至損壞電容器。當(dāng)電容器與線(xiàn)路阻抗達(dá)到共振時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)、短路、過(guò)電流及產(chǎn)生噪聲。變頻器諧波電流會(huì)使開(kāi)關(guān)設(shè)備在啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率，破壞絕緣。

03變頻器諧波的其它危害

　　變頻器諧波將使繼電保護(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；變頻器諧波對(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。

五變頻器諧波測(cè)量

　　假設(shè)SPWM波的載波頻率為fc，基波頻率為fs，fc/fs稱(chēng)為載波比N，對(duì)于三相變頻器，當(dāng)N為3的整數(shù)倍時(shí)，輸出不含3次諧波及3的整數(shù)倍諧波。且諧波集中載波頻率整數(shù)倍附近，即諧波次數(shù)為：kfc±m(xù)fs，k和m為整數(shù)。

　　下圖是基波頻率fs=50Hz，載波頻率fc=3kHz，調(diào)制比為0.8的SPWM的波形及頻譜的Matlab仿真圖。

　　圖中58次諧波和60次諧波的幅值分別為27.8%和27.7%，含量最大的諧波為119次和121次諧波，諧波幅值分別為39.1%和39.3%。即最大諧波在兩倍載波頻率附近。

　　隨著諧波頻率的升高，諧波幅值整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，按照GB/T22670變頻器供電三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法的規(guī)定，變頻電量變送器的帶寬應(yīng)該在載波頻率的6倍以上，當(dāng)載波頻率為3kHz時(shí)，帶寬至少為18kHz，實(shí)際使用建議采用30kHz以上帶寬的變頻功率傳感器及變頻功率分析儀?！?/p>

 

用于變頻器諧波測(cè)量的WP4000變頻功率分析儀

　　實(shí)際的SPWM波，其載波比不一定為整數(shù)，此時(shí)，為了降低頻譜泄露，可適當(dāng)增加傅里葉窗口長(zhǎng)度，對(duì)多個(gè)基波周期的PWM進(jìn)行傅里葉變換（FFT或DFT）。

六變頻器諧波治理

　　治理變頻器諧波問(wèn)題，抑制輻射干擾和供電系統(tǒng)干擾，可采取屏蔽、隔離、接地等技術(shù)手段。

01安裝適當(dāng)?shù)碾娍蛊?/p>

　　在變頻器輸入側(cè)與輸出側(cè)串接合適的電抗器，吸收諧波和增大電源或負(fù)載的阻抗，達(dá)到抑制諧波的目的，以減少傳輸過(guò)程中的電磁輻射。通過(guò)抑制諧波電流，將功率因數(shù)由原來(lái)的(0.5-0.6)提高至（0.75-0.85）；

02電源隔離或安裝隔離變壓器

　　將變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立，或在變頻器和其他用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器，切斷諧波電流；

03避免干擾輻射

　　電動(dòng)機(jī)和變頻器之間電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜，并與其他弱電信號(hào)在不同的電纜溝分別敷設(shè)，避免輻射干擾；

04變頻器正確的接地

　　正確的接地既可以使系統(tǒng)有效地抑制外來(lái)干擾，又能降低設(shè)備本身對(duì)外界的干擾。變頻器使用專(zhuān)用接地線(xiàn)，且用粗短線(xiàn)接地，鄰近其他電器設(shè)備的地線(xiàn)必須與變頻器配線(xiàn)分開(kāi)，使用短線(xiàn)，這樣能有效抑制電流諧波對(duì)鄰近設(shè)備的輻射干擾；

05縮短線(xiàn)路長(zhǎng)度

　　縮短線(xiàn)路長(zhǎng)度，電源線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)單獨(dú)敷設(shè)，避免交叉，不能避免時(shí)，必須垂直交叉，絕對(duì)不能平等敷設(shè)，信號(hào)線(xiàn)屏蔽層不接到電機(jī)或變頻器的地，而應(yīng)該接到控制線(xiàn)路的公共端；

06安裝EMI電源濾波器

　　當(dāng)前抑制變頻器諧波的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用EMI電源濾波器，它串聯(lián)或是并聯(lián)于主電路中，實(shí)時(shí)從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出變頻器諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該變頻器諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波電流。EMI電源濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的變頻器諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，其特性不受系統(tǒng)的影響，無(wú)諧波放大的危險(xiǎn)，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。

 

---

擴(kuò)展閱讀：

　　變頻器諧波分析關(guān)鍵技術(shù)

---