日前，管道公司油氣管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化課題組，在漠大線增輸工程對國產(chǎn)化變頻器進行諧波測試。結(jié)果表明，國產(chǎn)化變頻器各項參數(shù)符合國家標(biāo)準要求；繼2500千瓦級輸油泵機組后，又一油氣管道關(guān)鍵國產(chǎn)化設(shè)備成功通過驗收。這標(biāo)志著，與西門子變頻器對比，國產(chǎn)化變頻器諧波達到國際先進水平。

那么，什么究竟是諧波？

諧波定義示意圖

諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負載時，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倍數(shù)，根據(jù)法國數(shù)學(xué)家傅立葉（M．Fourier）分析原理證實，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以I區(qū)分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號的為奇次諧波，而2、14，6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時，2次諧波為lOOHz，3次諧波則是150Hz。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。對于三相整流負載，出現(xiàn)的諧波電流是6n±1次諧波，例如5、7，11、13、17、19等，變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。

變頻器是工業(yè)調(diào)速傳動領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的設(shè)備，由于變頻器逆變電路的開關(guān)特性，對其供電電源形成了一個典型的非線性負載。變頻器在現(xiàn)場通常與其它設(shè)備同時運行，例如計算機和傳感器，這些設(shè)備經(jīng)常安裝得很近，這樣可能會造成相互影響。因此，以變頻器為代表的電力電子裝置是公用電網(wǎng)中最主要的諧波源之一，電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染已成為阻礙電力電子技術(shù)自身發(fā)展的重大障礙。

常用變頻器電流與諧波之間是什么關(guān)系呢？

進線濾波器，射頻濾波器就電磁兼容性（EMC）方面來說，任何電氣設(shè)備既要經(jīng)得起外界電磁現(xiàn)象的干擾而有一定的抗擾度能力，也不要散發(fā)干擾給其他電氣設(shè)備即產(chǎn)生電力公害。變頻器也不例外，干擾的頻率可分為低頻和高頻，其分界線在IEC1800）3標(biāo)準中定為9kHz（有些標(biāo)準定為10kHz）。此外，還有廣頻譜的干擾如空氣放電和接觸放電。這里指的是高頻，實際上針對的是射頻RF。

使用交流/直流電抗器的原理圖

根據(jù)IEC18003的介紹：許多電力傳動系統(tǒng)（PDS）不帶濾波器在工業(yè)環(huán)境中工作正常而不干擾其他電器和設(shè)備，降低PDS干擾散發(fā)量的濾波器也降低了PDS的效率，增加了裝置的外形尺寸和成本。在多數(shù)情況下，使用該設(shè)備（指PDS譯注）并無干擾，但在射頻接受機或靈敏電器（例如甚低壓測量用），則需考慮降低干擾的方法（如高頻濾波）?？梢?，實踐表明，降低通過電源傳導(dǎo)的高頻干擾而設(shè)置濾波器在多數(shù)工業(yè)環(huán)境下是沒有必要的。至于在住宅建筑環(huán)境下（它有眾多的收音機、電視機等），除了變頻器關(guān)于EMC標(biāo)準的要求更高以外，裝設(shè)射頻濾波器也是要考慮的。

按照IEC標(biāo)準要求，制造廠應(yīng)該提供變頻器進線電流中的諧波含量。變頻器成套帶內(nèi)置進線電抗器是一個合適的降低諧波的辦法，已經(jīng)有幾個廠家如ABB、施耐德、芬蘭VassaControl公司有這樣的產(chǎn)品，希望其他廠家也能仿效，逐步推廣。

在變頻器應(yīng)用多的低壓母線上集中裝設(shè)諧波濾波和無功補償裝置，是一個復(fù)雜費力的工程問題，也要花費不低的成本，且占據(jù)空間。而變頻器內(nèi)置電抗器簡單易行，諧波就地抑制不散發(fā)，它除抑制了諧波外，還帶來了一些其他好處，因此它是一個值得提倡、推廣的好方案。當(dāng)變壓器與變頻器的功率大小相當(dāng)時，變壓器已有4%的短路阻抗，此時變頻器已不必再增設(shè)線路電抗器了，因此，當(dāng)變頻器功率較大時，無論是內(nèi)置的或外設(shè)的電抗器，其電抗值宜分成等級如3%、2%、1%等，以適應(yīng)不同的變壓器阻抗且減小裝置的體積和成本。

無論是哪一種變頻器，都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件，不管采用哪種整流方式，變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式都不是連續(xù)的正弦波，而是從脈動的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上，使電壓發(fā)生畸變，經(jīng)傅立葉原理分析可知，這種非同期正弦波電流是由于頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成。

使用隔離變壓器的原理圖

在制造業(yè)生產(chǎn)流程中，該如何抑制變頻器諧波呢？

一、抑制變頻器諧波的方法

1、變流回路的多重化

對于大容量的變頻器，可以在變頻器的輸入端裝設(shè)專用的電源輸入變壓器，將電源側(cè)變流器分為2個，利用該變壓器使輸入電流的相位錯開，以多重化來抑制變頻器向電源側(cè)的高次諧波。

2、安裝交流/直流電抗器

安裝電抗器實際是從外部增加變頻器供電電源的阻抗，在變頻器的交流側(cè)或直流側(cè)安裝電抗器或同時安裝，可以抑制諧波電流。采用交流/直流電抗器后，如圖2所示，進線電流的（電壓畸變率）大約降低30%～50%，是不加電抗器諧波電流的1/2左右。

3、安裝有源電力濾波器

除傳統(tǒng)的LC調(diào)試濾波器目前還在應(yīng)用外，當(dāng)前抑制諧波的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器，它串聯(lián)或是并聯(lián)于主電路中，實時從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波電流。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，其特性不受系統(tǒng)的影響，無諧波放大的危險，因而倍受關(guān)注，在日本等國已獲得廣泛應(yīng)用。

4、增加變頻器供電電源內(nèi)阻抗

通常情況下，電源設(shè)備的內(nèi)阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用。這種內(nèi)阻抗就是變壓器的短路阻抗。電源容量相對變頻器容量越小，內(nèi)阻抗值相對越大，諧波含量越?。浑娫慈萘肯鄬ψ冾l器容量越大，則內(nèi)阻抗值相對越小，諧波含量越大。所以選擇變頻器供電電源變壓器時，最好選擇短路阻抗大的變壓器。

5、安裝輸出電抗器

也可以采用在變頻器到電動機之間增加交流電機器的方法，主要目的是減少變頻器的輸出在能量傳輸過程中，線路產(chǎn)生的電磁輻射。

二、設(shè)備自身減弱諧波及干擾的方法

1、使用隔離變壓器

使用隔離變壓器主要是應(yīng)對來自于電源的傳導(dǎo)干擾，如圖4所示。使用具有隔離層的隔離變壓器，可以將絕人部分的傳導(dǎo)干擾隔離在隔離變壓器之前。同時還可以兼有電源電壓變換的作用。隔離變壓器常用于控制系統(tǒng)中的儀表、PLC，以及其他低壓小功率用電設(shè)備的抗傳導(dǎo)干擾。

2、使用濾波模塊和組件

目前市場中有很多專門用于抗傳導(dǎo)干擾的濾波器模塊或組件，這些濾波器具有較強的抗干擾能力，同時還能防止用電器本身的干擾傳導(dǎo)給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能，對各類用電設(shè)備有很多好處。

3、接地抗干擾

接地是抑制噪聲和防止干擾的重要手段，良好的接地方式可在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。變頻器的接地方式有多點接地、一點接地及經(jīng)母線接地等幾種形式，要根據(jù)具體情況采用，注意不要因為接地不良而對設(shè)備產(chǎn)生干擾。

4、做好信號線的抗干擾

信號線承擔(dān)著檢測信號和控制信號的傳輸任務(wù)，毋庸質(zhì)疑，信號傳輸?shù)馁|(zhì)量直接影響到整個控制系統(tǒng)的準確性、穩(wěn)定性和可靠性，因此做好信號線的抗干擾是十分必要的。

值得一提的是，目前國內(nèi)變頻器諧波處理技術(shù)日漸成熟。由北京國電四維清潔能源技術(shù)有限公司研制生產(chǎn)的高壓變頻器，在北京密云經(jīng)濟開發(fā)區(qū)東吉路1號、天津東麗開發(fā)區(qū)信通路6號、華能威海發(fā)電廠完成型式試驗并獲得圓滿成功。測得裝置的輸出電壓相對諧波含量僅為1%，是高壓變頻行業(yè)的又一項重大技術(shù)突破，大大減少了對電力系統(tǒng)的污染，與環(huán)境和諧合一。

（本文綜合中國報告大廳、工控老鬼、中國智能制造網(wǎng)、中國傳動網(wǎng)、傳動論壇資料，由中國傳動網(wǎng)整編而成，圖片來源于中國傳動網(wǎng)）