變頻器諧波危害解決措施

[摘要] 變頻器是工業(yè)調(diào)速傳動(dòng)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(duì)其供電電源形成了一個(gè)典型的非線性負(fù)載。變頻器在現(xiàn)場(chǎng)通常與其它設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，例如計(jì)算機(jī)和傳感器，這些設(shè)備常常安裝得很近。

變頻器是工業(yè)調(diào)速傳動(dòng)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(duì)其供電電源形成了一個(gè)典型的非線性負(fù)載。變頻器在現(xiàn)場(chǎng)通常與其它設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，例如計(jì)算機(jī)和傳感器，這些設(shè)備常常安裝得很近，這樣可能會(huì)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。

1 相關(guān)的定義

1.1 什么是諧波

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)分為偶次與奇次，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50Hz時(shí)，2次諧波為l00Hz，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(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。諧波定義示意圖如圖1所示。

1.2 諧波治理的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

變頻器諧波治理應(yīng)注意下面幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn):

? 抗干擾標(biāo)準(zhǔn)：EN50082-1、-2，EN61800-3;

? 輻射標(biāo)準(zhǔn)：EN5008l-1、-2，EN61800-3。

特別是IECl0003、IECl800-3(EN61800-3)、IEC555(EN60555)和IEEE519-1992。普通的抗干擾標(biāo)準(zhǔn)EN50081和EN50082以及針對(duì)變頻器的標(biāo)準(zhǔn)EN61800(1ECl800-3)定義了設(shè)備在不同的環(huán)境中運(yùn)行時(shí)的輻射及抗干擾的水平。上述標(biāo)準(zhǔn)定義了在不同環(huán)境條件下的可接受輻射等級(jí)：L級(jí)，無輻射限制。適用于在不受干擾的環(huán)境下使用變頻器的用戶和自己處理輻射限制的用戶。 H級(jí)，根據(jù)EN61800-3確定的限制，第一環(huán)境：有限制分布，和第二環(huán)境。作為選件RFI濾波器，配置RFI濾波器可以使變頻器達(dá)到商業(yè)級(jí)，通常用于非工業(yè)的環(huán)境。

2 諧波的治理措施

治理諧波問題，抑制輻射干擾和供電系統(tǒng)干擾，可采取屏蔽，隔離，接地及濾波等技術(shù)手段

①使用無源濾波器或有源濾波器;

②增加變壓器的容量，減少回路的阻抗及切斷 傳輸線路法;

③使用無諧波污染的綠色變頻器。

2.1 使用無源濾波器或有源濾波器

使用無源濾波器其主要是改變?cè)谔厥忸l率下電源的阻抗，適用于穩(wěn)定、不改變的系統(tǒng)。而使用有源濾波器主要是用于補(bǔ)償非線性負(fù)載。

傳統(tǒng)的方式多選用無源濾波器，無源濾波器出現(xiàn)最早，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、運(yùn)行可靠性較高以及運(yùn)行費(fèi)用較低，至今仍是諧波抑制的主要手段。LC濾波器是傳統(tǒng)的無源諧波抑制裝置，它由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，與諧波源并聯(lián)，除具有濾波作用外，還有無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩＿@種裝置存在一些較難克服的缺點(diǎn)，主要是容易過載，在過載時(shí)會(huì)被燒損，可能造成功率因數(shù)過引、償而被罰款;另外，無源濾波器不能受控，因此隨著時(shí)間的推移，配件老化或電網(wǎng)負(fù)載的變動(dòng)，會(huì)使諧振頻率發(fā)生改變，濾波效果下降。更重要的是無源濾波器只能過濾一種諧波成份(如有的濾波器只能濾除三次諧波)，如果過濾不同的諧波頻率，則要分別用不同的濾波器，增加設(shè)備投資。

國(guó)內(nèi)外有多種有源濾波器，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，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。有源電力濾波器(APF)理論在20世紀(jì)60年代形成，后來雖著大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟，脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制技術(shù)的進(jìn)步以及基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)方法的提出，有源電力濾波器得以迅速發(fā)展。其基本原理是從補(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而極性相反的補(bǔ)償電流頻譜， 以抵消原線路諧波源所產(chǎn)生的諧波，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。其中核心部分是諧波電流發(fā)生器與控制系統(tǒng)，即其工作靠數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)控制快速絕緣雙極晶體管(1GBT)來完成。