摘要：本文從變頻器的基本構(gòu)造出發(fā)，介紹了變頻器產(chǎn)生諧波的原理，同時(shí)提到諧波對(duì)變頻器和用電設(shè)備的危害，最后提出了抑制和減少諧波的措施。 Abstract：This paper introduces the theory of harmonics of inverter emergency on the basis of analysis of inverter basic structure．In the meantime，it also mentions the damage to the power equipments and inverter．And in the end，it presents some measures to control and restrain the harmonics． 1 引言 在交流電機(jī)調(diào)速方式中，采用變頻器驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)因其節(jié)能效果明顯、精度高、運(yùn)行可靠、調(diào)節(jié)方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力、機(jī)械、工業(yè)、生活等各個(gè)領(lǐng)域。變頻器主要由整流電路、逆變電路、控制電路組成，其中整流電路和逆變電路由電力電子器件組成。電力電子器件具有非線性特性，當(dāng)變頻器運(yùn)行時(shí)，它要進(jìn)行快速開關(guān)動(dòng)作，這樣就會(huì)產(chǎn)生高次諧波。同時(shí)變頻器本身的輸入則是一個(gè)非線性整流電路，特別是中高壓變頻器容量大，又直接接入高壓電網(wǎng)，這樣變頻器輸出波形除基波外還有大量的高次諧波，對(duì)負(fù)載及臨近設(shè)備產(chǎn)生干擾，輸入端的諧波還會(huì)通過(guò)輸入電源線對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生影響。 2 諧波的基本概念 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倍數(shù)．根據(jù)法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉（M．Fourier）分析原理證明，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(gè)諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次諧波與奇次諧波，第3、5、7次編號(hào)的為奇次諧波，而2、4、6、8等為偶次諧波，如基波為50 Hz時(shí)，2次諧波為100Hz，5次諧波則是250 Hz。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(duì)稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。對(duì)于三相整流負(fù)載，出現(xiàn)的諧波電流是6 n±1次諧波，例如5、7、11、13、17、l9等，變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。諧波定義的示意圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 諧波定義示意圖[/align] 3 諧波的產(chǎn)生 變頻器可分為間接變頻和直接變頻兩大類。間接變頻將工頻電流通過(guò)整流器變成直流，然后再經(jīng)過(guò)逆變器將直流變換成可控頻率的交流。直接變頻則將工頻交流變成可控頻率的交流，沒(méi)有中間的直流環(huán)節(jié)。它的每相都是一個(gè)兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。正反兩組按一定的周期相互切換，在負(fù)荷上就獲得了交變輸出的電壓，其幅值決定于各整流裝置的控制角，頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率。 目前應(yīng)用較多的還是間接變頻器。間接變頻器有三種不同的結(jié)構(gòu)形式：一是用可控整流器變壓，逆變器變頻，調(diào)壓調(diào)頻分別在兩個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行，兩者在控制電路上協(xié)調(diào)配合；二是用不可控整流器整流斬波器變壓、逆變器變頻，這種變頻器整流環(huán)節(jié)用斬波器，用脈寬調(diào)壓；三是用不可控整流器整流，PWM逆變器同時(shí)變頻，這種變頻器只有采用可控關(guān)斷的全控式器件輸出波形才會(huì)輸出非常逼真的正選波。 無(wú)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(dòng)的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動(dòng)電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動(dòng)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。 4 諧波的危害 通常來(lái)講，變頻器對(duì)容量相對(duì)較大的電力系統(tǒng)影響不很明顯，而對(duì)容量小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生干擾就不可忽視，它對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染。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。 （1）諧波使公用電網(wǎng)元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備使用率。如電流諧波將會(huì)使變壓器的銅損增加。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)諧波也可能引起變壓器繞組及線間電容之間的共振。 （2）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。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。諧波電流會(huì)使開關(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。 （3） 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；諧波對(duì)其他系統(tǒng)及電力用戶危害也很大：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。[1，2] 5 抑制變頻器諧波的方法 5.1 變流回路的多重化 對(duì)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(gè)，利用該變壓器使輸入電流的相位錯(cuò)開，以多重化來(lái)抑制變頻器向電源側(cè)的高次諧波。 5.2 安裝交流／直流電抗器 安裝電抗器實(shí)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(shí)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(jìn)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。 [align=center] 圖2 使用交流／直流電抗器的原理圖[/align] 5.3 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(gè)重要趨勢(shì)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(shí)時(shí)從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波電流。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(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)，因而倍受關(guān)注，在日本等國(guó)已獲得廣泛應(yīng)用。 5.4 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(wú)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(duì)變頻器容量越小，內(nèi)阻抗值相對(duì)越大，諧波含量越小；電源容量相對(duì)變頻器容量越大，則內(nèi)阻抗值相對(duì)越小，諧波含量越大。所以選擇變頻器供電電源變壓器時(shí)，最好選擇短路阻抗大的變壓器。 5.5 安裝輸出電抗器 也可以采用在變頻器到電動(dòng)機(jī)之間增加交流電機(jī)器的方法，主要目的是減少變頻器的輸出在能量傳輸過(guò)程中，線路產(chǎn)生的電磁輻射。如圖3所示，該電抗器必須安裝在距離變頻器最近的地方，盡量縮短與變頻器的引線距離。如果使用鎧裝電纜作為變頻器與電動(dòng)機(jī)的連線時(shí)，可不使用這方法，但要做到電纜的鎧在變頻器和電動(dòng)機(jī)端可靠接地，而且接地的鎧要原樣不動(dòng)接地，不能扭成繩或辮，不能用其他導(dǎo)線延長(zhǎng)，變頻器側(cè)要接在變頻器的地線端子上，再將變頻器接地。 [align=center] 圖3 使用輸出電抗器的原理圖[/align] 5.6 調(diào)節(jié)變頻器的載波比 提高變頻器載波比，可有效抑制低次諧波。只要載波比足夠大，較低次諧波就可以被有效地抑制，特別是參考波幅值與載波幅值小于1時(shí)，13次以下的奇數(shù)諧波不再出現(xiàn)。 5.7 開發(fā)新型變流器 大容量的變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術(shù)。幾千瓦到幾百千瓦的高功率因數(shù)整流器主要采用PWM逆變器，可構(gòu)成四象限交流調(diào)速變頻器，這種變頻器不但輸出電壓和流為正弦波，而且輸入電流也為正弦波，且功率因數(shù)為1，還可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞，代表了這一技術(shù)的發(fā)展方向。 6 設(shè)備自身減弱諧波及干擾的方法 6.1 使用隔離變壓器 使用隔離變壓器主要是應(yīng)對(duì)來(lái)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(shí)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。 [align=center] 圖4 使用隔離變壓器的原理圖[/align] 6.2 使用濾波模塊和組件 目前市場(chǎng)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(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)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(duì)各類用電設(shè)備有很多好處。 6.3 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(diǎn)接地、一點(diǎn)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?yàn)榻拥夭涣级鴮?duì)設(shè)備產(chǎn)生干擾。 6.4 做好信號(hào)線的抗干擾 信號(hào)線承擔(dān)著檢測(cè)信號(hào)和控制信號(hào)的傳輸任務(wù)，毋庸質(zhì)疑，信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性，因此做好信號(hào)線的抗干擾是十分必要的。 7 結(jié)束語(yǔ) 變頻器的使用給人們帶來(lái)了方便和巨大的利益，它必將得到更為普遍的使用。但由于變頻器自身的構(gòu)造，變頻器產(chǎn)生諧波是不可避免的，在工作應(yīng)用中我們只能盡可能的抑制諧波和減少諧波對(duì)外界的影響。本文只提到一部分變頻器諧波的影響和解決諧波影響的措施，關(guān)于變頻器諧波的問(wèn)題還有很大的探討空間。 作者簡(jiǎn)介：王平（1982－），男，山東省青島市人，山東輕工業(yè)學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)雜工業(yè)過(guò)程控制。 通訊地址：（250353）山東省長(zhǎng)清區(qū)山東輕工業(yè)學(xué)院245#信箱。 作者的詳細(xì)聯(lián)系方式： 作者：王平 郵編：250353 地址：山東省長(zhǎng)清區(qū)山東輕工業(yè)學(xué)院245#信箱 電話：13806403609 Email：kmcmcab88@163.com