變頻器諧波污染及治理
�。冾l調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的意義，但是由于變頻器在輸入回路中產(chǎn)生的高次諧波電流，對供電系統(tǒng)，負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾；尤其是在高精度儀表、微電子控制系統(tǒng)等應(yīng)用中，諧波干擾問題尤為突出。本文從變頻器工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，從隔離、濾波和接地三個(gè)方面全面闡述了抑制和消除干擾的方法，對提高變頻器等工業(yè)設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性提供參考。
一、 變頻器諧波產(chǎn)生機(jī)理
凡是在電源側(cè)有整流回路的，都將因其非線性而產(chǎn)生高次諧波。變頻器的主電路一般為交－直－交組成，外部輸入380V/50HZ的工頻電源經(jīng)晶閘管三相橋路整流成直流，經(jīng)電容器濾波后逆變?yōu)轭l率可變的交流電。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級數(shù)分解為基波和高次諧波，諧波次數(shù)通常為6N±1（N為自然常數(shù)）。如果電源側(cè)電抗充分小、換流重疊µ可以忽略，那么第K次高次諧波電流的有效值為基波電流的1/K
二、 高次諧波危害
諧波問題由來已久，近年來這一問題因由于兩個(gè)因素的共同作用變得更加嚴(yán)重。這兩個(gè)因素是：工業(yè)界為提高生產(chǎn)效率和可靠性而廣泛使用變頻器等電力電子裝置，使得與晶閘管相關(guān)設(shè)備的使用迅猛增長，并伴隨著諧波源的同步增加和放大；電力用戶為改善功率因數(shù)而大量增加使用電容器組，并聯(lián)電容器以諧振的方式加重了諧波的危害。
非線形負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流注入電網(wǎng)，使變壓器低壓側(cè)諧波電壓升高，低壓側(cè)負(fù)荷由于諧波干擾而影響正常工作，另一方面諧波電壓又通過供電變壓器傳遞到高壓側(cè)干擾其它用戶。
在三相回路中，三的整數(shù)倍次諧波電流是零序電流，零序電流在中性線中是相互疊加的。零序諧波電流主要是由三相四線制非線性設(shè)備產(chǎn)生的，使供電系統(tǒng)中的中性線電流很大。當(dāng)中性線上有較大的諧波電流時(shí)，中性導(dǎo)線的阻抗在諧波下能產(chǎn)生大的中性線電壓降，此中性線電壓降以共模干擾形式干擾計(jì)算機(jī)和各種微電子系統(tǒng)的正常工作，使控制設(shè)備和精密儀器工作不可靠，故障率高。
高次諧波的危害具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
變壓器
諧波電流和諧波電壓將增加變壓器銅損和鐵損，結(jié)果使變壓器溫度上升，影響絕緣能力，造成容量裕度減小。諧波還能產(chǎn)生共振及噪聲。
感應(yīng)電動(dòng)機(jī)
諧波同樣使電動(dòng)機(jī)銅損和鐵損增加，溫度上升。同時(shí)諧波電流會改變電磁轉(zhuǎn)距，產(chǎn)生振動(dòng)力矩，使電動(dòng)機(jī)發(fā)生周期性轉(zhuǎn)速變動(dòng)，影響輸出效率，并發(fā)出噪聲。
開關(guān)設(shè)備
由于諧波電流使開關(guān)設(shè)備在起動(dòng)瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率，使暫態(tài)恢復(fù)峰值電壓增大，破壞絕緣，還會引起開關(guān)跳脫、引起誤動(dòng)作。
保護(hù)電器電流中含有的諧波會產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)距，改變電器動(dòng)作特性，引起誤動(dòng)作，甚至改變其操作特性，或燒毀線圈。1 X/ _& s2 n" J
計(jì)量儀表
計(jì)量儀表因?yàn)橹C波會造成感應(yīng)盤產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)矩，引起誤差，降低精度，甚至燒毀線圈。
電力電子設(shè)備
電力電子設(shè)備通常靠精確電源零交叉原理或電壓波形的形態(tài)來控制和操作，若電壓有諧波成分時(shí)，零交叉移動(dòng)、波形改變、以致造成許多誤動(dòng)作。;
計(jì)算機(jī)和一些其它電子設(shè)備，通常要求總諧波電壓畸變率(THD)小于5%，且個(gè)別諧波電壓畸變率低于3%，較高的畸變量可導(dǎo)致控制設(shè)備誤動(dòng)作，進(jìn)而造成生產(chǎn)或運(yùn)行中斷，導(dǎo)致較大的經(jīng)濟(jì)損失。
電力電纜
高頻諧波電流會在導(dǎo)體中引起集膚效應(yīng)，產(chǎn)生額外溫升增加銅耗。特別是零序的3次諧波電流在中性線中是相互疊加的，使供電系統(tǒng)中的中性線電流很大，有的中性線上的電流還會超過相電流，使中性線發(fā)熱，加速絕緣層老化，甚至引起火災(zāi)。此外當(dāng)中性線上有較大的諧波電流時(shí)，導(dǎo)線的阻抗能產(chǎn)生大的中性線電壓降，干擾各種微電子系統(tǒng)的正常工作。
電力電容器
高次諧波由于頻率增大，電容器對高次諧波阻抗減小，因過電流而導(dǎo)致溫度升高過熱、甚至損壞電容器；電容器與系統(tǒng)中的感性負(fù)荷構(gòu)成的并聯(lián)或串聯(lián)電路，還有可能發(fā)生諧波共振，放大諧波電流或電壓加重諧波的危害。經(jīng)由電容器組電容和電網(wǎng)電感形成的并聯(lián)諧振回路，可被放大到10-15倍。
三、 變頻器高次諧波污染的解決途徑
高次諧波主要通過傳導(dǎo)和感應(yīng)耦合兩種方式對電源及鄰近用電設(shè)備產(chǎn)生諧波污染。傳導(dǎo)是指高次諧波按著各自的阻抗分流到電源系統(tǒng)和并聯(lián)的負(fù)載，對并聯(lián)的電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾；感應(yīng)耦合是指諧波在傳導(dǎo)的過程中，與此電源線平行敷設(shè)的導(dǎo)線又會產(chǎn)生電磁耦合，形成感應(yīng)干擾。$ ?- ?* n/ w3 N+ S' H
在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中為消除變頻器高次諧波對電氣設(shè)備的干擾，主要從抑制干擾源、切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道并且避免功率補(bǔ)償電容器與系統(tǒng)諧振二個(gè)方面解決。
解決傳導(dǎo)干擾主要是在電路中把傳導(dǎo)的高頻諧波電流濾掉或者隔離；
合理布置干擾源和被干擾線路的距離、走向，可避免或減少耦合產(chǎn)生。
四、 實(shí)際工程抗干擾措施應(yīng)用:
隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的逐步提高，變頻器使用范圍的逐步加大，變頻器高次諧波帶來的確電磁干擾和污染問題也越來越突出，怎樣處理好變頻器系統(tǒng)的諧波干擾和污染問題也越為越突出，怎么樣處理好變頻器系統(tǒng)的諧波干擾污染成了變頻器進(jìn)一步推廣應(yīng)用，特別是在對諧波污染要求高的場所的推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。
隔離措施
隔離技術(shù)是電磁兼容性中的重要技術(shù)之一。所謂干擾的隔離，是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。
�。�1）、在變頻器交流輸入側(cè)安裝交流電抗器，增大整流阻抗使整流重疊角增大，減小高次諧波電流。
（2）、使所有的信號線很好地絕緣，使其不可能漏電，這樣，防止由于接觸引入干擾。
�。�3）、將不同種類的信號線隔離鋪設(shè)（在不同一電纜槽中，劃用隔板隔開），可根據(jù)信號不同類型將其按抗噪聲干擾的能力分成幾等，單獨(dú)走電纜或電纜槽。
接地措施
接地的作用有兩類：一是保護(hù)人和設(shè)備不受損害（保護(hù)接地）；二是抑制干擾（工作接地）。正確的接地既可以使系統(tǒng)有效地抑制外來干擾，又能降低設(shè)備本身對外界的干擾。
為了使變頻控制系統(tǒng)以及與之相連的儀表均能可靠運(yùn)行并保證測量和控制精度，必須為變頻器設(shè)立可靠地工作接地。它分為電源地、信號地、模擬地（AG屏蔽地），在石化和其他防爆系統(tǒng)中還有本安地。
變頻器的各種接地在沒匯到接地匯流排前，彼此之間應(yīng)保證絕緣，避免接地干擾。
反諧振措施
諧波對連接在功率因數(shù)電路中的電容器是非常危險(xiǎn)的。電容器的電容與電網(wǎng)的電感形成了一個(gè)諧振電路，通常這個(gè)諧振電路的自諧振頻率一般位于250和500Hz之間，即在5次和7次諧波范圍內(nèi)。當(dāng)電網(wǎng)中存在的諧波頻率與自諧振頻率相近時(shí)，有可能使諧波電流放大到正常的20倍左右。受諧波影響的電網(wǎng)不能采用常規(guī)的電容器來做無功補(bǔ)償。
當(dāng)系統(tǒng)上存在諧波時(shí)，使用調(diào)諧濾波電容器組，是功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)淖罴逊椒ㄖ弧?由電容器和電抗器串聯(lián)組成的非調(diào)諧濾波電容器組，可以在基波頻率段補(bǔ)償無功功率，同時(shí)解調(diào)諧振電路的自諧振頻率。
調(diào)諧濾波電容器組，由數(shù)段電容器及調(diào)諧電抗器組合而成，每段形成串聯(lián)共振回路，使共振頻率低于最低之諧波頻率。對含有5次以上諧波的系統(tǒng)，使用帶6%電抗器的調(diào)諧式電容器組；對含有3次以上諧波的系統(tǒng)，使用帶14%電抗器的調(diào)諧式電容器組。在基本波頻率(50Hz)下，調(diào)諧濾波電容器組呈現(xiàn)電容性，以提供無功功率；而在諧波頻率下，則呈現(xiàn)電感性，故與網(wǎng)絡(luò)不會形成并聯(lián)共振回路，亦即不會造成諧波放大。因此，調(diào)諧濾波電容器組，可安全補(bǔ)償無功功率，亦可消除低次諧波電流約30%。
濾波技術(shù)
濾波器能有效地抑制諧波的傳導(dǎo)干擾。在低壓電網(wǎng)中，當(dāng)諧波電流畸變率THD_I>10%，或諧波電壓畸變率THD_V>3%時(shí)，可考慮安裝諧波濾波器。對于不同的諧波源和電氣設(shè)備，可考慮安裝相應(yīng)的濾波設(shè)備。
當(dāng)系統(tǒng)中的變頻器是以三相六脈動(dòng)全波整流為主時(shí)，根據(jù)公式諧波次數(shù)K=6N±1，諧波以5、7次為主，通常采用并聯(lián)式5次和7次單調(diào)諧濾波器。
當(dāng)系統(tǒng)中的變頻器主要用于三相四線中的單相電路時(shí)，諧波以相序?yàn)榱愕?次諧波為主，應(yīng)該安裝并聯(lián)式3次 諧波濾波器。
當(dāng)系統(tǒng)對抗干擾能力要求較高、或系統(tǒng)中諧波含量較復(fù)雜時(shí)，為減少變頻器高次諧波的污染，可在電源輸入端并聯(lián)有源濾波器。有源濾波器能有效慮除電網(wǎng)中2～50次諧波，反應(yīng)時(shí)間小于1毫秒，是目前最有效的一種濾波技術(shù)。
