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變頻器的諧波危害及解決措施
閱讀：1899 發(fā)布時間：2012-1-15
變頻器的諧波危害及解決措施
1、前言
在工業(yè)調(diào)速傳動領(lǐng)域中,，與傳統(tǒng)的機械調(diào)速相比,，用變頻器調(diào)速有諸多優(yōu)點，顧其應用非常廣泛,，但由于變頻器逆變電路的開關(guān)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(xiàn)場通常與其它設(shè)備同時運行,，例如計算機和傳感器,，這些設(shè)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(wǎng)中zui主要的諧波源之一，其對電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量有著重要的影響,。
1、前言
在工業(yè)調(diào)速傳動領(lǐng)域中,，與傳統(tǒng)的機械調(diào)速相比,，用變頻器調(diào)速有諸多優(yōu)點，顧其應用非常廣泛,，但由于變頻器逆變電路的開關(guān)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(xiàn)場通常與其它設(shè)備同時運行,，例如計算機和傳感器,，這些設(shè)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(wǎng)中zui主要的諧波源之一，其對電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量有著重要的影響,。
2,、諧波產(chǎn)生的過程
諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經(jīng)負載時,，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,，如下圖所示,。
諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經(jīng)負載時,，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,，如下圖所示,。
諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國數(shù)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(shù)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,。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性,。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關(guān)系,，偶次諧波已經(jīng)被消除了,，只有奇次諧波存在，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大,。
3,、諧波危害
對于電力系統(tǒng)來說，電力諧波的危害主要表現(xiàn)有以下幾方面：
?。?）增加輸,、供和用電設(shè)備的額外附加損耗，使設(shè)備的溫度過熱,，降低設(shè)備的利用率和經(jīng)濟效益：
?、匐娏χC波對輸電線路的影響：
諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點附近的諧振區(qū)內(nèi)時,，對輸電線路和電力電纜線路會造成絕緣擊穿。
?、陔娏χC波對變壓器的影響：
諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗,、渦流損耗及絕緣的電場強度，諧波電流的存在增加了銅損,。對帶有非對稱性負荷的變壓器而言,，會大大增加勵磁電流的諧波分量。
?、垭娏χC波對電力電容器的影響：
含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時,，由于電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上,，使電容器電流變大,，溫度升高，壽命縮短,，引起電容器過負荷甚至爆炸,，同時諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波諧振，使故障加劇,。
?。?）影響繼電保護和自動裝置的工作可靠性：
特別對于電磁式繼電器來說，電力諧波常會引起繼電保護及自動裝置誤動或拒動,，使其動作失去選擇性,，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故,，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行,。
?。?）對通訊系統(tǒng)工作產(chǎn)生干擾：
電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時，會在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓,，干擾通信系統(tǒng)的工作,，影響通信線路通話的清晰度，甚至在的情況下,，還會威脅著通信設(shè)備和人員的安全,。
（4）對用電設(shè)備的影響：
電力諧波會使電視機,、計算機的圖形畸變,，畫面亮度發(fā)生波動變化，并使機內(nèi)的元件溫度出現(xiàn)過熱,，使計算機及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤,，嚴重甚至損害機器。
此外,，電力諧波還會對測量和計量儀器的指示不準確及整流裝置等產(chǎn)生不良影響,，它已經(jīng)成為當前電力系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的大公害。
對于電力系統(tǒng)來說，電力諧波的危害主要表現(xiàn)有以下幾方面：
?。?）增加輸,、供和用電設(shè)備的額外附加損耗，使設(shè)備的溫度過熱,，降低設(shè)備的利用率和經(jīng)濟效益：
?、匐娏χC波對輸電線路的影響：
諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點附近的諧振區(qū)內(nèi)時,，對輸電線路和電力電纜線路會造成絕緣擊穿。
?、陔娏χC波對變壓器的影響：
諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗,、渦流損耗及絕緣的電場強度，諧波電流的存在增加了銅損,。對帶有非對稱性負荷的變壓器而言,，會大大增加勵磁電流的諧波分量。
?、垭娏χC波對電力電容器的影響：
含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時,，由于電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上,，使電容器電流變大,，溫度升高，壽命縮短,，引起電容器過負荷甚至爆炸,，同時諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波諧振，使故障加劇,。
?。?）影響繼電保護和自動裝置的工作可靠性：
特別對于電磁式繼電器來說，電力諧波常會引起繼電保護及自動裝置誤動或拒動,，使其動作失去選擇性,，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故,，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行,。
?。?）對通訊系統(tǒng)工作產(chǎn)生干擾：
電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時，會在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓,，干擾通信系統(tǒng)的工作,，影響通信線路通話的清晰度，甚至在的情況下,，還會威脅著通信設(shè)備和人員的安全,。
（4）對用電設(shè)備的影響：
電力諧波會使電視機,、計算機的圖形畸變,，畫面亮度發(fā)生波動變化，并使機內(nèi)的元件溫度出現(xiàn)過熱,，使計算機及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤,，嚴重甚至損害機器。
此外,，電力諧波還會對測量和計量儀器的指示不準確及整流裝置等產(chǎn)生不良影響,，它已經(jīng)成為當前電力系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的大公害。
4,、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。
?、偈褂脽o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(tǒng),。而使用有源濾波器主要是用于補償非線性負載。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組合而成，與諧波源并聯(lián),，除具有濾波作用外,，還有無功補償?shù)淖饔谩?br /> ②增加變壓器的容量,，減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法,；
由于非線性負載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產(chǎn)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,，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(xiàn),。目前,，國內(nèi)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(tǒng)的隱患,。
③使用無諧波污染的綠色變頻器,。
綠色變頻器的品質(zhì)標準是：輸入和輸出電流都是正弦波,，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負載時都能使功率因數(shù)為1,，可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率,。變頻器內(nèi)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(chǎn)生的諧波電流,。為了減少諧波污染造成的干擾，可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下,，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zui低次諧波來減少諧波含量,。例如12脈沖，zui低的諧波是11次,、13次,、23次、25次諧波,。依次類推,，對于18脈沖,，zui低的諧波是17次和19次諧波。
變頻器中應用的低諧波技術(shù)可歸納如下：
?、迥孀儐卧牟⒙?lián)多重化,，采用2個或多個逆變單元并聯(lián)，通過波形疊加抵消諧波分量,。
?、嬲麟娐返亩嘀鼗赑WM變頻器中采用12脈沖,、18脈沖或者24脈沖的整流,，以減少諧波。
?、?逆變單元的串聯(lián)多重化,，采用30脈沖的串聯(lián)逆變單元多重化線路，其諧波可減少到很小,。
?、?采用新的變頻調(diào)制方法，如電壓矢量的菱形調(diào)制等,。目前,，許，多變頻器制造廠商已非常重視諧波問題,，在設(shè)計時已從技術(shù)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。
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。
?、偈褂脽o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(tǒng),。而使用有源濾波器主要是用于補償非線性負載。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組合而成，與諧波源并聯(lián),，除具有濾波作用外,，還有無功補償?shù)淖饔谩?br /> ②增加變壓器的容量,，減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法,；
由于非線性負載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產(chǎn)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,，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(xiàn),。目前,，國內(nèi)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(tǒng)的隱患,。
③使用無諧波污染的綠色變頻器,。
綠色變頻器的品質(zhì)標準是：輸入和輸出電流都是正弦波,，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負載時都能使功率因數(shù)為1,，可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率,。變頻器內(nèi)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(chǎn)生的諧波電流,。為了減少諧波污染造成的干擾，可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下,，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zui低次諧波來減少諧波含量,。例如12脈沖，zui低的諧波是11次,、13次,、23次、25次諧波,。依次類推,，對于18脈沖,，zui低的諧波是17次和19次諧波。
變頻器中應用的低諧波技術(shù)可歸納如下：
?、迥孀儐卧牟⒙?lián)多重化,，采用2個或多個逆變單元并聯(lián)，通過波形疊加抵消諧波分量,。
?、嬲麟娐返亩嘀鼗赑WM變頻器中采用12脈沖,、18脈沖或者24脈沖的整流,，以減少諧波。
?、?逆變單元的串聯(lián)多重化,，采用30脈沖的串聯(lián)逆變單元多重化線路，其諧波可減少到很小,。
?、?采用新的變頻調(diào)制方法，如電壓矢量的菱形調(diào)制等,。目前,，許，多變頻器制造廠商已非常重視諧波問題,，在設(shè)計時已從技術(shù)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。
結(jié)論
綜上所述,，可以清楚地了解諧波產(chǎn)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(chǎn)生的諧波控制在zui小范圍內(nèi),，達到科學合理用電,，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質(zhì)量.
綜上所述,，可以清楚地了解諧波產(chǎn)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(chǎn)生的諧波控制在zui小范圍內(nèi),，達到科學合理用電,，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質(zhì)量.