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變頻器諧波危害解決方案
發(fā)布時間:2012-03-13點擊次數:3654
變頻器是工業(yè)調速傳動領域中應用較為廣泛的設備，
由于變頻器逆變電路的開關特性，對其供電電源形成了一個典型的非線性負載。變頻器在現場通常與其它設備同時運行，例如計算機和傳感器，這些設備常常安裝得很近，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中最主要的諧波源之一，電力電子裝置所產生的諧波污染已成為阻礙電力電子技術自身發(fā)展的重大障礙。相關的定義
1.1 什么是諧波
諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據法國數學家傅立葉(M．Fourier)分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數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、1 4，6、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。在平衡的三相系統中， 由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。對于三相整流負載， 出現的諧波電流是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 諧波治理的有關標準
變頻器諧波治理應注意下面幾個標準， 抗干擾標準：EN50082-1、-2，EN61800-3：輻射標準：EN5008l-1、-2，EN61800-3。特別是IECl0003、IECl800-3(EN61800-3)、IEC555(EN60555)和IEEE519-1992。
普通的抗干擾標準EN50081和EN50082以及針對變頻器的標準EN61800(1ECl800-3)定義了設備在不同的環(huán)境中運行時的輻射及抗干擾的水平。上述標準定義了在不同環(huán)境條件下的可接受輻射等級：L級，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，根據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到商業(yè)級，通常用于非工業(yè)的環(huán)境。有關諧波治理的EMC標準示意圖如表1所示。
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干擾，可采取 屏蔽，隔離，接地及濾波等技術手段。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在特殊頻率下電源的阻抗，適用于穩(wěn)定、不改變的系統。而使用有源濾波器主要是用于補償非線性負載。
傳統的方式多選用無源濾波器，無源濾波器出現最早，因其結構簡單、投資少、運行可靠性較高以及運行費用較低，至今仍是諧波抑制的主要手段。LC濾波器是傳統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組合而成，與諧波源并聯，除具有濾波作用外，還有無功補償的作用。這種裝置存在一些較難克服的缺點，主要是容易過載，在過載時會被燒損，可能造成功率因數過引、償而被罰款；另外，無源濾波器不能受控，因此隨著時間的推移，配件老化或電網負載的變動，會使諧振頻率發(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，增加設備投資??
國內外有多種有源濾波器，這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響。有源電力濾波器(APF)理論在20世紀60年代形成，后來著大****率全控型半導體器件的成熟，脈沖寬度調制(PWM)控制技術的進步以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，有源電力濾波器得以迅速發(fā)展。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流頻譜， 以抵消原線路諧波源所產生的諧波，從而使電網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，即其工作靠數字信號處理(DSP)技術控制快速絕緣雙極晶體管(1GBT)來完成。
目前，在具體的諧波治理方面， 出現了無源濾波器(LC濾波器)與有源濾波器互補混合使用的方式，充分發(fā)揮LC濾波器結構簡單、易實現、成本低，有源電力濾波器補償性能好的優(yōu)點，克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點，兩者結合使用，從而使整個系統獲得良好的性能。
2.2 減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法
諧波產生的根本原因是由于使用了非線性負載，因此，解決的根本辦法是把產生諧波的負載的供電線路和對諧波敏感的負載的供電線路分開(如圖2所示)。由于非線性負載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產生一個畸變電壓降，而合成的畸變電壓波形加到與此同一線路上所接的其它負載，引起諧波電流在其上流過(如圖3所示)。因此，減少諧波危害的措施也可從加大電纜截面積，減少回路的阻抗方式來實現。目前，國內較多采用提高變壓器容量，增大電纜截面積，特別是加大中性線電纜截面，以及選用整定值較大的斷路器、熔斷器等保護元件等辦法，但此種方式不能從根本上消除諧波，反而降低了保護特性與功能，又加大了投資，增加供電系統的隱患。從圖2中可知，可以將線性負載與非線性負載從同一電源
接口點(PCC)就開始分別的電路供電，這樣可以使由非線性負載產生的畸變電壓不會傳導到線性負載上去。這是目前治理諧波問題較為理想的解決方案。
2.3 使用無諧波污染的綠色變頻器
綠色變頻器的品質標準是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數可控，帶任何負載時都能使功率因數為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率。變頻器內置的交流電抗器，它能很好的抑制諧波，同時可以保護整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響，實踐表明，不帶電抗器的諧波電流明顯高于帶電抗器產生的諧波電流。為了減少諧波污染造成的干擾，在變頻器的輸出回路安裝噪聲濾波器。并且在變頻器允許的情況，降低變頻器的載波頻率。另外，在大功率變頻器中，通常使用12脈沖或18脈沖整流，這樣在電源中， 通過消除最低次諧波來減少諧波含量。例如12脈沖，最低的諧波是11次、13次、23次、25次諧波。依次類推，對于18脈沖，最低的諧波是17次和19次諧波。
變頻器中應用的低諧波技術可，歸納如下：①逆變單元的并聯多重化，采用2個或多個逆變單元并聯，通過波形疊加抵消諧波分量。②整流電路的多重化，在PWM變頻器中采用121脈沖、18脈沖或者24脈沖的整流，以減少諧波。③逆變單元的串聯多重化，采用30脈沖的串聯逆變單元多重化線路，其諧波可減少到很小。 ④ 采用新的變頻調制方法，如電壓矢量的菱形調制等。目前，許多變頻器制造廠商已非常重視諧波問題，在設計時已從技術手段上保證了變頻器的綠色化,從而在根本上解決諧波問題。
3結論
綜上所述，可以清楚地了解諧波產生的原因，在具體治理上可采用無源濾波器、有源濾波器，減少回路阻抗，切斷諧波傳輸路徑及開發(fā)使用無諧波污染的綠色變頻器等方法，將變頻器產生的諧波控制在最小范圍內，達到科學合理用電，抑制電網污染，提高電源質量。
1.1 什么是諧波
諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據法國數學家傅立葉(M．Fourier)分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數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、1 4，6、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。在平衡的三相系統中， 由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。對于三相整流負載， 出現的諧波電流是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 諧波治理的有關標準
變頻器諧波治理應注意下面幾個標準， 抗干擾標準：EN50082-1、-2，EN61800-3：輻射標準：EN5008l-1、-2，EN61800-3。特別是IECl0003、IECl800-3(EN61800-3)、IEC555(EN60555)和IEEE519-1992。
普通的抗干擾標準EN50081和EN50082以及針對變頻器的標準EN61800(1ECl800-3)定義了設備在不同的環(huán)境中運行時的輻射及抗干擾的水平。上述標準定義了在不同環(huán)境條件下的可接受輻射等級：L級，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，根據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到商業(yè)級，通常用于非工業(yè)的環(huán)境。有關諧波治理的EMC標準示意圖如表1所示。
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干擾，可采取 屏蔽，隔離，接地及濾波等技術手段。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在特殊頻率下電源的阻抗，適用于穩(wěn)定、不改變的系統。而使用有源濾波器主要是用于補償非線性負載。
傳統的方式多選用無源濾波器，無源濾波器出現最早，因其結構簡單、投資少、運行可靠性較高以及運行費用較低，至今仍是諧波抑制的主要手段。LC濾波器是傳統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組合而成，與諧波源并聯，除具有濾波作用外，還有無功補償的作用。這種裝置存在一些較難克服的缺點，主要是容易過載，在過載時會被燒損，可能造成功率因數過引、償而被罰款；另外，無源濾波器不能受控，因此隨著時間的推移，配件老化或電網負載的變動，會使諧振頻率發(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，增加設備投資??
國內外有多種有源濾波器，這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響。有源電力濾波器(APF)理論在20世紀60年代形成，后來著大****率全控型半導體器件的成熟，脈沖寬度調制(PWM)控制技術的進步以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，有源電力濾波器得以迅速發(fā)展。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流頻譜， 以抵消原線路諧波源所產生的諧波，從而使電網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，即其工作靠數字信號處理(DSP)技術控制快速絕緣雙極晶體管(1GBT)來完成。
目前，在具體的諧波治理方面， 出現了無源濾波器(LC濾波器)與有源濾波器互補混合使用的方式，充分發(fā)揮LC濾波器結構簡單、易實現、成本低，有源電力濾波器補償性能好的優(yōu)點，克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點，兩者結合使用，從而使整個系統獲得良好的性能。
2.2 減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法
諧波產生的根本原因是由于使用了非線性負載，因此，解決的根本辦法是把產生諧波的負載的供電線路和對諧波敏感的負載的供電線路分開(如圖2所示)。由于非線性負載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產生一個畸變電壓降，而合成的畸變電壓波形加到與此同一線路上所接的其它負載，引起諧波電流在其上流過(如圖3所示)。因此，減少諧波危害的措施也可從加大電纜截面積，減少回路的阻抗方式來實現。目前，國內較多采用提高變壓器容量，增大電纜截面積，特別是加大中性線電纜截面，以及選用整定值較大的斷路器、熔斷器等保護元件等辦法，但此種方式不能從根本上消除諧波，反而降低了保護特性與功能，又加大了投資，增加供電系統的隱患。從圖2中可知，可以將線性負載與非線性負載從同一電源
接口點(PCC)就開始分別的電路供電，這樣可以使由非線性負載產生的畸變電壓不會傳導到線性負載上去。這是目前治理諧波問題較為理想的解決方案。
2.3 使用無諧波污染的綠色變頻器
綠色變頻器的品質標準是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數可控，帶任何負載時都能使功率因數為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率。變頻器內置的交流電抗器，它能很好的抑制諧波，同時可以保護整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響，實踐表明，不帶電抗器的諧波電流明顯高于帶電抗器產生的諧波電流。為了減少諧波污染造成的干擾，在變頻器的輸出回路安裝噪聲濾波器。并且在變頻器允許的情況，降低變頻器的載波頻率。另外，在大功率變頻器中，通常使用12脈沖或18脈沖整流，這樣在電源中， 通過消除最低次諧波來減少諧波含量。例如12脈沖，最低的諧波是11次、13次、23次、25次諧波。依次類推，對于18脈沖，最低的諧波是17次和19次諧波。
變頻器中應用的低諧波技術可，歸納如下：①逆變單元的并聯多重化，采用2個或多個逆變單元并聯，通過波形疊加抵消諧波分量。②整流電路的多重化，在PWM變頻器中采用121脈沖、18脈沖或者24脈沖的整流，以減少諧波。③逆變單元的串聯多重化，采用30脈沖的串聯逆變單元多重化線路，其諧波可減少到很小。 ④ 采用新的變頻調制方法，如電壓矢量的菱形調制等。目前，許多變頻器制造廠商已非常重視諧波問題，在設計時已從技術手段上保證了變頻器的綠色化,從而在根本上解決諧波問題。
3結論
綜上所述，可以清楚地了解諧波產生的原因，在具體治理上可采用無源濾波器、有源濾波器，減少回路阻抗，切斷諧波傳輸路徑及開發(fā)使用無諧波污染的綠色變頻器等方法，將變頻器產生的諧波控制在最小范圍內，達到科學合理用電，抑制電網污染，提高電源質量。