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電能質(zhì)量
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領(lǐng)步課堂—變頻器諧波治理方案

返回列表來源：領(lǐng)步電能質(zhì)量發(fā)布時間：2016-11-10分享加入收藏關(guān)注：-

專家講堂1

一、變頻器諧波產(chǎn)生原理
實際上不限于通用變頻器，晶閘管供電的直流電動機、無換向器電動機等凡是在電源側(cè)有整流回路的，都將產(chǎn)生因其非線性引起的高次諧波，對通用變頻器的諧波治理就顯得尤為重要。
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次高次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。如果出現(xiàn)電源側(cè)電抗充分小、換流重疊角"可以忽略強狂，那么n次高次諧波為基波電流的1/n。輸出端諧波產(chǎn)生機理：在逆變輸出回路中，輸出電流信號是受PWM載波信號調(diào)制的脈沖波形。輸入端諧波產(chǎn)生機理：變頻器的主電路一般為交一直一交組成，外部輸入380V/50Hz的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓，經(jīng)電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流電壓。對于GTR大功率逆變元件，其PWM的載波頻率為2～3kHz，而IGBT大功率逆變元件的PWMZ高載頻可達15kHz。同樣，輸出回路電流信號也可分解為只含基波和其他高次諧波。
  二、高次諧波危害
  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)耦合是指在傳導(dǎo)的過程中，與變頻器輸出線平行敷設(shè)的導(dǎo)線又會產(chǎn)生電磁耦合形成感應(yīng)干擾；電磁輻射是指變頻器輸出端的高次諧波還會產(chǎn)生輻射作用，對鄰近的無線電及電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。與一般無線電電磁干擾一樣，變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過傳導(dǎo)、電磁輻射和感應(yīng)耦合三種方式對電源及鄰近用電設(shè)備產(chǎn)生諧波污染。高次諧波的危害具體表現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）開關(guān)設(shè)備：由于諧波電流使開關(guān)設(shè)備在起動瞬間產(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、引起誤動作。
（2）電力電容器：當(dāng)高次諧波產(chǎn)生時由于頻率增大，電容器阻抗瞬間減小，涌人大量電流，因而導(dǎo)致過熱、甚至損壞電容器，還有可能發(fā)生共振，產(chǎn)生振動和噪聲。
（3）保護電器：電流中含有的諧波會產(chǎn)生額外力距，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。
（4）感應(yīng)電動機：電流和電壓諧波同樣使電動機銅損和鐵損增加，溫度升。同時諧波電流會改變電磁轉(zhuǎn)距，產(chǎn)生振動力矩，使電動機發(fā)生周期性轉(zhuǎn)速變動，影響輸出效率，并發(fā)出噪聲。
（5）電力電子設(shè)備：電力電子設(shè)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。
（6）計量儀表：計量儀表因為諧波會造成感應(yīng)盤產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)距，引起誤差，降低精度，甚至燒毀線圈。
（7）變壓器：電流和電壓諧波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)生共振及噪聲等。
  另外，高次諧波還會對電腦、通信設(shè)備、電視及音響設(shè)備、載波遙控設(shè)備等產(chǎn)生干擾，使通信中斷，產(chǎn)生雜訊，甚至發(fā)生誤動作，另外還會對照明設(shè)備產(chǎn)生影響。
  三、抑制變頻器高次諧波治理
  1.對于變頻器輸出側(cè)高次諧波治理
降低PWM控制的輸出波形中所含有的交流諧波成分帶來的磁雜訊技術(shù)已越來越多地在各種變頻器中得到應(yīng)用，如采用更高頻率的開關(guān)元件、變頻器輸出端加裝濾波裝置，用隨機法調(diào)節(jié)切換頻率和閉環(huán)控制改善高次諧波。
  2.對于變頻器輸入側(cè)高次諧波治理
（1）在變頻器交流輸入側(cè)設(shè)置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。
（2）在電力回路中并聯(lián)使用交流濾波裝置，能將來自變頻器的高次諧波分量與電源系統(tǒng)分流。
（3）對于裝設(shè)多臺變頻器的場合，可各配專用的變壓器，利用輸入變壓器相位錯開的方法抑制高次諧波。
3.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(tǒng)。而使用有源濾波器主要是用于補償非線性負(fù)載。
  傳統(tǒng)的方式多選用無源濾波器，無源濾波器出現(xiàn)Z早，因其結(jié)構(gòu)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(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(dāng)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?。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(shù)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(wǎng)負(fù)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(shè)備投資。
國內(nèi)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(wǎng)阻抗的影響。有源電力濾波器 (APF)理論在20世紀(jì)60年代形成，后來著大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟，脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制技術(shù)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(chǎn)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(chǎn)生的諧波，從而使電網(wǎng)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(tǒng)，即其工作靠數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)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(xiàn)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(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)、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(jié)合使用，從而使整個系統(tǒng)獲得良好的性能。
  高次諧波治理與并聯(lián)電容器組的混合補償技術(shù)方案不但充分利用了企業(yè)原有的無功補償設(shè)備，而且發(fā)揮了有源濾波裝置補償小容量諧波的高性能、低成本特點，因而具有較高的工程應(yīng)用價值。

APF橫豎模塊（中）

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