1.序   言

隨著工業(yè)自動(dòng)化的飛速發(fā)展，交流調(diào)速控制系統(tǒng)因其具有的起動(dòng)平穩(wěn)、功率因數(shù)高、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)行業(yè)均已成功應(yīng)用，雖然變頻器在工業(yè)生產(chǎn)及自動(dòng)化控制方面具有無可比擬的優(yōu)越性，但是由于變頻器本身的結(jié)構(gòu)中要進(jìn)行三相橋式整流、大功率晶體管（IGBT）逆變，結(jié)果導(dǎo)致在輸入輸出回路產(chǎn)生高次諧波電流，對(duì)交流電網(wǎng)、負(fù)載及同電網(wǎng)中其他電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾，尤其是在對(duì)抗干擾水平要求比較高的儀表、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等應(yīng)用中，諧波干擾問題尤為突出。

變頻器是工業(yè)調(diào)速領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的設(shè)備之一，它將工頻50HZ變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行。變頻器完成交-直-交變換，由整流電路、逆變電路、控制電路組成，其中整流輸入部分及逆變輸出部分主要由非線性電力電子元件組成，在變頻器運(yùn)行時(shí)，會(huì)在輸入輸出側(cè)產(chǎn)生大量諧波。

由于變頻器輸出PWM波含有開關(guān)頻率整數(shù)倍的高次諧波，變頻器諧波分析的關(guān)鍵在于要求功率分析儀在低基波頻率情況下?lián)碛懈卟蓸宇l率、寬帶寬、運(yùn)算能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)。

2.變頻器諧波的形成

諧波是指由于正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變而產(chǎn)生的諧波。在交流電網(wǎng)中，由于有許多非線性負(fù)載的電氣設(shè)備的投入運(yùn)行，造成其電壓、電流波形實(shí)際上已經(jīng)是有所畸變的非正弦波。

變頻器諧波是指變頻器的整流電路一般采用三相橋式整流電路，當(dāng)變頻器接入已經(jīng)發(fā)生畸變的交流電網(wǎng)，只要電源側(cè)有非線性引起的諧波，輸出側(cè)通常就含有高次諧波干擾電網(wǎng)。

 

如圖1所示為變頻器的主電路圖中可以看出，其主電路由交-直-交方式組成，外部輸入220V或380V/50Hz的工頻電源經(jīng)三相整流橋整流成直流電壓，經(jīng)大容量的電解電容濾波及IGBT逆變?yōu)轭l率可變的交流電壓。在三相整流電路中，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)。

　　

變頻器諧波的產(chǎn)生

①、整流輸入側(cè)

變頻器的整流輸入側(cè)一般采用三相橋式不控整流將交流電整成直流電，因?yàn)橛啥�極管組成的整流橋的非線性特性，會(huì)產(chǎn)生諧波電流。一般情況，整流輸入的電壓波形為正弦波，輸入電流波形為畸變的“馬鞍波”，諧波電流會(huì)從用戶變頻器端通過電網(wǎng)傳播，影響公用電網(wǎng)。

輸入諧波電流如圖所示。“馬鞍波”的波形由變頻器整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、參數(shù)、負(fù)載的不同而不同。

 

②、逆變輸出側(cè)

變頻器的逆變輸出側(cè)，由SPWM波控制由IGBT等全控型器件組成的橋式電路，從而形成電壓、頻率可調(diào)的三相交流電。變頻器輸出的線電壓是正弦脈寬、幅值相等的矩形波(PWM波)，如圖所示。

 

3.高次諧波干擾的危害

諧波電壓和諧波電流的產(chǎn)生，對(duì)電網(wǎng)是一種極大的污染，它使得供電系統(tǒng)外的其他用電設(shè)備運(yùn)行條件發(fā)生變化，對(duì)其工作的穩(wěn)定性和可靠性甚至使用壽命產(chǎn)生不利影響；干擾系統(tǒng)內(nèi)的其他電子設(shè)備，容易導(dǎo)致電子設(shè)備不能可靠的工作，發(fā)生故障，影響系統(tǒng)工作的可靠性。變頻器諧波對(duì)用電設(shè)備產(chǎn)生的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

3.1影響變頻器自身的工作性能和使用壽命

當(dāng)變頻器的輸入電壓發(fā)生畸變，其輸入電流峰值就會(huì)增大，使得變頻器整流電路及濾波電解電容負(fù)擔(dān)加重，容易產(chǎn)生過電壓或者過電流，導(dǎo)致變頻器不能正常工作。由于變頻器本身屬于一種電力電子裝置，其內(nèi)部的各種控制電路很容易受諧波失真影響而誤動(dòng)作，從而影響變頻器的工作性能和使用壽命。

3.2造成電能的浪費(fèi)

高頻諧波電流使線路阻抗隨著頻率的增加而提高，對(duì)供電線路產(chǎn)生了附加諧波損耗，造成電能的浪費(fèi)，并且高頻諧波會(huì)使電路等效阻抗增加，導(dǎo)致供電線路上的電壓降增大，需要增大輸出電纜的截面積，增加材料成本。

3.3影響電機(jī)的正常工作

電動(dòng)機(jī)的定子屬于感性負(fù)載存在分散電容，諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)的額外溫升，導(dǎo)致電機(jī)的機(jī)械效率下降，造成電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩降低，長(zhǎng)時(shí)間處于這種運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)繞組的介電強(qiáng)度和體積電阻率的下降，引起電機(jī)的絕緣強(qiáng)度降低，降低電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

3.4對(duì)用電設(shè)備的影響

諧波會(huì)使如計(jì)算機(jī)、觸摸屏等顯示畫面發(fā)生圖形畸變，出現(xiàn)通訊不正常等現(xiàn)象。對(duì)于采用單片機(jī)控制的一些電子設(shè)備，諧波可能使單片機(jī)出現(xiàn)死機(jī)、莫名其妙復(fù)位等故障，或?qū)е螺斎牒洼敵鲂盘?hào)的誤動(dòng)作，影響機(jī)器的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危害機(jī)械設(shè)備和人身安全。

4.變頻器諧波的抑制對(duì)策

根據(jù)上文分析，變頻器主回路采用的電子元器件決定了諧波的存在。近年來，人們?cè)絹碓街匾曋C波對(duì)供電質(zhì)量的影響，“綠色電網(wǎng)”的呼聲也越來越高。為了防止諧波對(duì)其他用電設(shè)備產(chǎn)生干擾，總的原則是抑制和消除電路中的諧波，切斷諧波的傳播通道，降低系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的敏感性。在實(shí)際應(yīng)用中，采取的有效措施主要有兩大類，一是在電網(wǎng)系統(tǒng)中采用適當(dāng)?shù)拇胧┮种苹蛳�除諧波，二是對(duì)變頻裝置本身進(jìn)行改造，使其盡量少產(chǎn)生諧波。

4.1對(duì)交流輸入電源采取的措施

在交流輸入側(cè)采取的抑制或消除諧波的方式主要有以下幾種。

（1）加裝隔離變壓器，實(shí)際應(yīng)用中，通常把隔離變壓器加在輸入電源和變頻器之間，隔離變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)兩個(gè)線圈沒有直接的電氣連接，通過磁場(chǎng)來進(jìn)行電-磁-電的轉(zhuǎn)換，這樣一來，就把變頻器和易受干擾的電氣設(shè)備隔離開來，這樣就降低了電網(wǎng)中的有害諧波成份。

（2）可靠的接地，抑制或者消除諧波最有效的措施是接地，目前很多生產(chǎn)廠家的變頻器都采用鐵殼，利用機(jī)殼進(jìn)行屏蔽，這樣既能屏蔽交流調(diào)速系統(tǒng)向外傳遞諧波，又能防止外界諧波對(duì)變頻器本身的干擾，如圖2所示。

 

（3）合理布線，通過對(duì)強(qiáng)弱電電纜的合理布線，可以有效的降低動(dòng)力電纜對(duì)控制信號(hào)線的干擾。應(yīng)用中需要注意的是變頻器的輸入、輸出線要和其他設(shè)備的控制線保持一定的間距。如果控制線和動(dòng)力線空間上無法分開，應(yīng)盡量和變頻器的動(dòng)力電纜垂直交叉。變頻器和電動(dòng)機(jī)之間的動(dòng)力電纜，應(yīng)盡量使用屏蔽電纜，如果條件允許，動(dòng)力電纜穿入已經(jīng)接地的金屬管內(nèi)。信號(hào)線盡量使用屏蔽雙絞電纜，屏蔽層不論是接公共端還是接地，只能采用單端接地的方式。

（4）加裝電抗器，在變頻器的供電回路中加裝電抗器是一種十分有效的抑制諧波電流的方法。根據(jù)電抗器安裝的位置，主要分為兩種電抗器：直流電抗器和交流電抗器。交流電抗器又稱輸入電抗器，它安裝在變頻器的輸入側(cè)，可以抑制和減小變頻器產(chǎn)生的諧波向電網(wǎng)傳遞，同時(shí)還可以防止電網(wǎng)電壓波動(dòng)和沖擊電流對(duì)變頻器的影響。

直流電抗器又稱為平波電抗器，直流電抗器串聯(lián)在變頻器的直流回路中。它的功能就是削減電流中的諧波成分，保證整流電流的連續(xù)，減小電流的脈動(dòng)值，提高變頻器的功率因數(shù)，減少和防止三相整流橋和濾波電容因?yàn)闆_擊電流造成的損壞，如圖3所示。

 

（5）加裝濾波器，這種濾波器是傳統(tǒng)所說的無源濾波器，這種濾波器只能運(yùn)行某一頻率的電流信號(hào)可以順利的通過，而其他頻率段的信號(hào)則受到抑制，濾波器實(shí)際上是一個(gè)選頻電路。濾波器根據(jù)安裝位置的不同分為輸入濾波器和輸出濾波器。

輸入濾波器安裝在變頻器的輸入側(cè)，它的主要作用是防止變頻器工作時(shí)，變頻器輸入端對(duì)電網(wǎng)和其它設(shè)備產(chǎn)生的干擾。輸出濾波器又叫出線濾波器，安裝在變頻器的輸出和電機(jī)之間，它的作用是濾除變頻器輸出電流中的高次諧波，保護(hù)電機(jī)，避免電機(jī)因?yàn)楦叨壤擞侩妷涸斐山^緣破損，如圖4所示。

 

4.2對(duì)變頻器進(jìn)行升級(jí)

對(duì)變頻器本身進(jìn)行升級(jí)，使其減少諧波產(chǎn)生的方式主要有以下幾種：

（1）隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，采用有源濾波器進(jìn)行諧波

抑制是一項(xiàng)十分有效的方法，它用于變頻器的主電路中，用于消除主電路的諧波。有源濾波器工作時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)電路中的諧波電流，通過數(shù)字處理器計(jì)算后生成與諧波電流幅值相同、但是極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動(dòng)消除電路中的諧波成分，從而使電網(wǎng)中的電流只含有基波電流。有源濾波器能對(duì)大小和頻率都變化的諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償，可以同時(shí)濾除多次及高次諧波，不會(huì)引起諧振，因而受到特別的關(guān)注，并在歐洲等國(guó)已得到大量的應(yīng)用。

（2）調(diào)整變頻器的載波頻率

當(dāng)載波頻率提高后，輸出電流波形正弦性能變好，毛刺減少，波形光滑，對(duì)減少諧波有利，所以適當(dāng)提高載波頻率，對(duì)抑制或減少諧波有利。

（3）開發(fā)新型變頻器

大容量的變頻器減少諧波的主要方法是采用多重化技術(shù)。多重化技術(shù)采用2個(gè)或多個(gè)逆變單元并聯(lián)，通過波形疊加抵消諧波分量。采用多重化技術(shù)的變頻器不但輸出電壓和流為正弦波，而且輸進(jìn)電流也為正弦波，且功率因數(shù)為1。

5.結(jié)論

本文通過對(duì)變頻器主回路的分析，闡述了諧波產(chǎn)生的原因，并提出了對(duì)變頻器諧波的抑制措施。但是由于變頻器本身的結(jié)構(gòu)決定了變頻器產(chǎn)生諧波是不可避免的，在實(shí)際應(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。本文只提出一部分變頻器諧波的影響和諧波抑制的措施，關(guān)于變頻器諧波的研究還有很大的探討空間。