變頻器輸入輸出端諧波治理解決方案

變頻器是AC電動機(jī)控制設(shè)備常用的元件之一。變頻器是一種理想的調(diào)速產(chǎn)品，主要用于交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。變頻器不僅具有優(yōu)良的調(diào)速性能，在合理選用時還能帶來明顯的節(jié)能效果。這個特性使得變頻器不僅在相關(guān)工業(yè)行業(yè)，而且在家電行業(yè)等眾多領(lǐng)域也得到了寬泛應(yīng)用。然而隨著變頻器使用越來越普遍，大量的諧波電流隨之產(chǎn)生并注入電網(wǎng)，造成電能質(zhì)量大幅下降，給電網(wǎng)和電力用戶帶來嚴(yán)重危害。薩頓斯電抗器和濾波器可以減少線路中的諧波和變頻器輸出對電機(jī)的影響。 

變流技術(shù)用電力電子器件構(gòu)成各種電力變換的電路，對電路進(jìn)行控制，以及用這些技術(shù)構(gòu)成更為復(fù)雜的電力電子裝置和系統(tǒng)。按其結(jié)構(gòu)形式，有交-交變頻器和交-直-交變頻器2種。

 

變頻器的輸入部分是整流電路，輸出部分是逆變電路，一般采用電力電子開關(guān)器件，這些器件高速開關(guān)會產(chǎn)生高次諧波電流。變頻器的諧波電流不僅會影響輸出端的電動機(jī)正常工作，也會通過輸入端電源線危害電網(wǎng)。交-直-交變頻器是現(xiàn)階段主流產(chǎn)品，而在交-直-交變頻器中以PWM變頻器應(yīng)用較普遍。交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)簡圖如圖所示，主電路包括3個部分：整流部分、中間直流濾波環(huán)節(jié)和逆變部分。

變流技術(shù)電能質(zhì)量解決方案示意圖：
變頻器運(yùn)行輸入端的諧波影響
電機(jī)通過變頻器以PWM脈動的方式與電網(wǎng)發(fā)生能量交換，這種電流需求使變頻器在電源側(cè)產(chǎn)生了明顯的電流畸變和電壓下凹，從而產(chǎn)生了大量的諧波電流和諧波電壓。

如圖2所示，常用的交-直-交電壓型變頻器的輸入部分是將交流帶能源轉(zhuǎn)換為直流帶能源的整流電路。由于整流器與逆變器之間有大的電容并聯(lián)，電源供給變頻器的電流實(shí)際上是電容的充放電電流。只有當(dāng)電源電壓大于電容電壓才進(jìn)行充電，其他時間放電，因此輸入電流發(fā)生嚴(yán)重畸變，有原本的正弦波變成含有大量諧波的畸變波形。由于發(fā)生波形畸變，產(chǎn)生了輸入諧波，加上整流器產(chǎn)生的諧波，返回上一級供配電系統(tǒng)并對接于同一電源的設(shè)備帶來過熱、噪聲、誤動作等不良影響，造成對電網(wǎng)的污染：
①　諧波對供電線路的影響
諧波增加了供電線路的損耗，是線路壽命下降，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約60%。
②　諧波對周邊電氣設(shè)備的影響
諧波通過電網(wǎng)傳到到其他的用電設(shè)備，影響許多電氣設(shè)備的正常工作

例如，
對變壓器而言，將導(dǎo)致產(chǎn)生附加損耗，從而引起過熱、絕緣介質(zhì)老化加速，鐵芯產(chǎn)生磁滯伸縮和噪聲、電抗器產(chǎn)生振動和噪聲；
對旋轉(zhuǎn)電動機(jī)而言，將使電動勢效率降低，發(fā)熱增加、使用壽命縮短；對斷路器而言，其靈敏度可能下降，切除故障和人身危害。
對供電線路上的電力電容器而言，諧波導(dǎo)致電流放大并流入電容器，可能導(dǎo)致電容器過熱及絕緣損壞。
③　諧波對繼電保護(hù)和自動裝置的影響
諧波會使繼電保護(hù)和自動裝置出線異常跳閘，并影響儀表的準(zhǔn)確度，影響其正常工作。
例如，供配電系統(tǒng)的中高壓電力線路與電力變壓器監(jiān)測和保護(hù)一般此阿勇電磁式繼電器、感應(yīng)式繼電器或晶體管繼電器。但當(dāng)系統(tǒng)存在較高的諧波電流時，電磁式與感應(yīng)式繼電器經(jīng)常誤動作，使繼電保護(hù)形同虛設(shè)，供配電系統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)受到破壞，安全受到威脅。
④　諧波對其他系統(tǒng)的危害
高次諧波產(chǎn)生的電磁輻射會是變頻器附近的控制信號、監(jiān)測信號、通信信號和弱電信號等受到干擾，導(dǎo)致控制系統(tǒng)工作異常或者監(jiān)測信號無法正確傳輸。

變頻器運(yùn)行輸出側(cè)的諧波影響
諧波對電動機(jī)的影響主要有：電動機(jī)因為諧波產(chǎn)生熱效應(yīng)，從而影響點(diǎn)擊壽命；帶來諧波損耗，降低了電動機(jī)的效率；產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，影響電動機(jī)在低頻段運(yùn)行，電機(jī)甚至不能正常工作。

諧波電流是電動機(jī)產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩，當(dāng)傳動系統(tǒng)機(jī)械部分的固有振動頻率與脈動轉(zhuǎn)矩頻率一致時，由于共振放大，可能產(chǎn)生很大的振動。這種共振現(xiàn)象通常發(fā)生于逆變器頻率在30HZ以下，也就是低頻轉(zhuǎn)矩脈動效應(yīng)。

上文分析可以看出，諧波使電網(wǎng)有了附加損耗，變頻器大量使用使電網(wǎng)存在大量的諧波，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量和電機(jī)使用。我們應(yīng)該看到變頻器節(jié)能的同時，也應(yīng)該考慮一下它所帶來的損耗。同時在工程設(shè)計中，積極地提出并良好的應(yīng)用諧波抑制的方法，從而減少損耗，降低電流諧波總畸變率THD。下面簡述幾種諧波抑制的方法：

薩頓斯的電抗器和濾波器 可以減少或削弱線路中的諧波和變頻器輸出對電機(jī)的影響。
1、在變頻器輸入端：串聯(lián)1臺交流輸入電抗器；EMI輸入濾波器、諧波濾波器、LCL濾波器 
2、在變頻器輸出端：串聯(lián)1臺交流輸出電抗器；EMI輸出濾波器、正弦波濾波器、DVDT濾波器及輸出變壓器等，對于諧波產(chǎn)品的組合應(yīng)用，可將負(fù)載距離延長大于3KM，頻率可達(dá)到幾十KHZ。
3、采用鎧裝電纜連接電動機(jī)與變頻器或者電纜穿鋼管敷設(shè)，強(qiáng)電電纜和弱電線纜同路敷設(shè)時需保持一定距離，降低線路干擾。
4、與變頻器連接或臨近信號線纜，盡量采用屏蔽線。


變頻器的大量使用對電網(wǎng)的污染越來越嚴(yán)重，諧波是根源之一，本文從變頻器輸入端輸出端分別分析了諧波帶來的影響與危害。故在變頻器使用中，應(yīng)綜合考慮使用變頻器的利弊，并采用適當(dāng)?shù)闹C波抑制措施，是變頻器成為真正使用的電機(jī)調(diào)速產(chǎn)品。