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變頻器諧波污染及治理
變頻器諧波污染及治理
變頻調速在工業(yè)生產中具有十分重要的意義,，但是由于變頻器在輸入回路中產生的高次諧波電流,，對供電系統(tǒng)，負載及其他鄰近電氣設備產生干擾,；尤其是在高精度儀表,、微電子控制系統(tǒng)等應用中，諧波干擾問題尤為突出,。本文從變頻器工程實際應用出發(fā),，從隔離、濾波和接地三個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)設備運行的可靠性和安全性提供參考,。7 M& I& P5 y: D9 j) k/ i
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一、 變頻器諧波產生機理
, t; I$ G' @. O, }; Z凡是在電源側有整流回路的,，都將因其非線性而產生高次諧波,。變頻器的主電路一般為交－直－交組成，外部輸入380V/50HZ的工頻電源經晶閘管三相橋路整流成直流,，經電容器濾波后逆變?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。! K$ l, ^3 e4 t+ g V( g
二,、 高次諧波危害
; \# D; }! \4 J) \諧波問題由來已久,，近年來這一問題因由于兩個因素的共同作用變得更加嚴重。這兩個因素是：工業(yè)界為提高生產效率和可靠性而廣泛使用變頻器等電力電子裝置,，使得與晶閘管相關設備的使用迅猛增長,，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,。
6 y* l' `& L7 t& B3 I非線形負荷產生的諧波電流注入電網，使變壓器低壓側諧波電壓升高,，低壓側負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干擾其它用戶,。
, V4 M; B: V( ~9 C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備產生的，使供電系統(tǒng)中的中性線電流很大,。當中性線上有較大的諧波電流時,，中性導線的阻抗在諧波下能產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算機和各種微電子系統(tǒng)的正常工作,，使控制設備和精密儀器工作不可靠,，故障率高。
! F* a0 j! c2 W3 `. Y0 q$ H0 j& }' ?高次諧波的危害具體表現(xiàn)在以下幾個方面,。
1 t3 r) L: r) @) J% Z8 e/ ?9 q變壓器
/ M9 Z! J W' {" e% g" m諧波電流和諧波電壓將增加變壓器銅損和鐵損,，結果使變壓器溫度上升，影響絕緣能力,，造成容量裕度減小,。諧波還能產生共振及噪聲。' Q3 t( ^1 m% N4 D- Y. B
感應電動機# C! h0 D! r. V3 o3 S3 Y
諧波同樣使電動機銅損和鐵損增加,，溫度上升,。同時諧波電流會改變電磁轉距，產生振動力矩,，使電動機發(fā)生周期性轉速變動,，影響輸出效率，并發(fā)出噪聲,。
$ j( ^+ s' o) `! q4 K7 x2 x開關設備
- v0 i8 i3 S3 u$ u% l, O# O" b9 C由于諧波電流使開關設備在起動瞬間產生很高的電流變化率，使暫態(tài)恢復峰值電壓增大,，破壞絕緣,，還會引起開關跳脫、引起誤動作,。
0 _0 C% D1 @7 _- ?' B# k保護電器電流中含有的諧波會產生額外轉距,，改變電器動作特性，引起誤動作,，甚至改變其操作特性,，或燒毀線圈。1 X/ _& s2 n" J
計量儀表
7 k" A5 Y4 ~- ?& Y1 `4 R( S計量儀表因為諧波會造成感應盤產生額外轉矩,，引起誤差,，降低精度，甚至燒毀線圈,。
- f! K3 L; s, @; p) x1 x q% O電力電子設備5 | P/ g4 i' W$ D6 k. C' s
電力電子設備通?？烤_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，零交叉移動,、波形改變,、以致造成許多誤動作。; W4 O: g* O" D+ @' g
計算機和一些其它電子設備,，通常要求總諧波電壓畸變率(THD)小于5%,，且個別諧波電壓畸變率低于3%，較高的畸變量可導致控制設備誤動作,，進而造成生產或運行中斷,，導致較大的經濟損失。( u( ?" { |$ g. t$ F
電力電纜
. j. x% f+ f4 ?# _9 y高頻諧波電流會在導體中引起集膚效應,，產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,。此外當中性線上有較大的諧波電流時，導線的阻抗能產生大的中性線電壓降,，干擾各種微電子系統(tǒng)的正常工作,。
) I, ]% L( M f S2 N電力電容器/ F& r9 w3 i/ a9 {" G, P
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)中的感性負荷構成的并聯(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。經由電容器組電容和電網電感形成的并聯(lián)諧振回路,，可被放大到10-15倍,。8 U7 \& @( J) p: Y- \5 Y& G# |/ r8 [1 P
三、 變頻器高次諧波污染的解決途徑1 e( R# z, ^) i$ k; R
高次諧波主要通過傳導和感應耦合兩種方式對電源及鄰近用電設備產生諧波污染,。傳導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)的負載,，對并聯(lián)的電氣設備產生干擾；感應耦合是指諧波在傳導的過程中,，與此電源線平行敷設的導線又會產生電磁耦合,，形成感應干擾。$ ?- ?* n/ w3 N+ S' H
在實際工業(yè)生產中為消除變頻器高次諧波對電氣設備的干擾,，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償電容器與系統(tǒng)諧振二個方面解決,。+ l# X) ?$ J* t
解決傳導干擾主要是在電路中把傳導的高頻諧波電流濾掉或者隔離；8 T9 n; |, d: q
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生。
4 C5 c! Q0 P! w- S# I6 K四,、 實際工程抗干擾措施應用: j9 b5 v$ G o/ T/ g3 \) h+ ~
隨著工業(yè)生產技術的逐步提高,，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一步推廣應用，特別是在對諧波污染要求高的場所的推廣應用的關鍵,。( D: f; L! s1 B+ c
隔離措施& f) J6 o4 z$ g/ O
9 r4 m8 r/ [& N! `/ y! G. O隔離技術是電磁兼容性中的重要技術之一,。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,。( d9 u$ e4 N7 v
（1）、在變頻器交流輸入側安裝交流電抗器,，增大整流阻抗使整流重疊角增大,，減小高次諧波電流。
4 k' p1 @! i- P（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,。
, X5 }$ C( [. ?" D0 \（3）、將不同種類的信號線隔離鋪設（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，單獨走電纜或電纜槽,。
% O" ?$ q3 Y' Q: \接地措施
; Z# Y. P/ Q3 u, Q0 x8 k接地的作用有兩類：一是保護人和設備不受損害（保護接地）；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,，又能降低設備本身對外界的干擾。' S% G4 I' m. Q6 k
為了使變頻控制系統(tǒng)以及與之相連的儀表均能可靠運行并保證測量和控制精度,，必須為變頻器設立可靠地工作接地,。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,。& u; }6 \7 o! o" X" b' n* z
變頻器的各種接地在沒匯到接地匯流排前，彼此之間應保證絕緣,，避免接地干擾,。
2 ^) R8 y- o M* h0 h反諧振措施
: v: e7 F1 s( B* F7 E: L* G諧波對連接在功率因數(shù)電路中的電容器是非常危險的。電容器的電容與電網的電感形成了一個諧振電路,，通常這個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。當電網中存在的諧波頻率與自諧振頻率相近時,，有可能使諧波電流放大到正常的20倍左右,。受諧波影響的電網不能采用常規(guī)的電容器來做無功補償。$ m! X3 x! Z8 O! Y" ]" l9 t
當系統(tǒng)上存在諧波時,，使用調諧濾波電容器組,，是功率因數(shù)補償?shù)淖罴逊椒ㄖ弧?由電容器和電抗器串聯(lián)組成的非調諧濾波電容器組，可以在基波頻率段補償無功功率,，同時解調諧振電路的自諧振頻率,。2 i5 j3 j; F8 v, g) g- I/ @ K5 ^) T
調諧濾波電容器組，由數(shù)段電容器及調諧電抗器組合而成,，每段形成串聯(lián)共振回路,，使共振頻率低于極低之諧波頻率。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%電抗器的調諧式電容器組,。在基本波頻率(50Hz)下,，調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，故與網絡不會形成并聯(lián)共振回路,，亦即不會造成諧波放大,。因此，調諧濾波電容器組,，可安全補償無功功率,，亦可消除低次諧波電流約30%。; k' f& ]. p/ \: ?; V
濾波技術9 h1 ]% M4 q7 [: L& N! p1 a
濾波器能有效地抑制諧波的傳導干擾,。在低壓電網中,，當諧波電流畸變率THD_I>10%，或諧波電壓畸變率THD_V>3%時,，可考慮安裝諧波濾波器,。對于不同的諧波源和電氣設備,，可考慮安裝相應的濾波設備。
: h' `+ S" G% Z5 C- S* e) \7 @當系統(tǒng)中的變頻器是以三相六脈動全波整流為主時,，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次單調諧濾波器,。
/ |% ^1 m* O# u! }7 a0 ^當系統(tǒng)中的變頻器主要用于三相四線中的單相電路時，諧波以相序為零的3次諧波為主,，應該安裝并聯(lián)式3次 諧波濾波器,。$ N Y/ S6 p- f9 f+ Y
當系統(tǒng)對抗干擾能力要求較高、或系統(tǒng)中諧波含量較復雜時,，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中2～50次諧波,，反應時間小于1毫秒,，是目前很有效的一種濾波技術。