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變頻器諧波危害解決方案
發(fā)布時(shí)間:2012-03-13點(diǎn)擊次數(shù):3636
變頻器是工業(yè)調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的設(shè)備，
由于變頻器逆變電路的開關(guān)特性，對(duì)其供電電源形成了一個(gè)典型的非線性負(fù)載。變頻器在現(xiàn)場(chǎng)通常與其它設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，例如計(jì)算機(jī)和傳感器，這些設(shè)備常常安裝得很近，這樣可能會(huì)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)中最主要的諧波源之一，電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染已成為阻礙電力電子技術(shù)自身發(fā)展的重大障礙。相關(guān)的定義
1.1 什么是諧波
諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，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。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉(M．Fourier)分析原理證明，任何重復(fù)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(gè)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(hào)的為奇次諧波，而2、1 4，6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時(shí)，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(tǒng)中， 由于對(duì)稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。對(duì)于三相整流負(fù)載， 出現(xiàn)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(chǎn)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)
變頻器諧波治理應(yīng)注意下面幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)， 抗干擾標(biāo)準(zhǔn)：EN50082-1、-2，EN61800-3：輻射標(biāo)準(zhǔn)：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(biāo)準(zhǔn)EN50081和EN50082以及針對(duì)變頻器的標(biāo)準(zhǔn)EN61800(1ECl800-3)定義了設(shè)備在不同的環(huán)境中運(yùn)行時(shí)的輻射及抗干擾的水平。上述標(biāo)準(zhǔn)定義了在不同環(huán)境條件下的可接受輻射等級(jí)：L級(jí)，無(wú)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(jí)，根據(jù)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(dá)到商業(yè)級(jí)，通常用于非工業(yè)的環(huán)境。有關(guān)諧波治理的EMC標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)干擾，可采取 屏蔽，隔離，接地及濾波等技術(shù)手段。①使用無(wú)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(wú)諧波污染的綠色變頻器。
2.1 使用無(wú)源濾波器或有源濾波器
使用無(wú)源濾波器其主要是改變?cè)谔厥忸l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(bǔ)償非線性負(fù)載。
傳統(tǒng)的方式多選用無(wú)源濾波器，無(wú)源濾波器出現(xiàn)最早，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、運(yùn)行可靠性較高以及運(yùn)行費(fèi)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(wú)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(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩＿@種裝置存在一些較難克服的缺點(diǎn)，主要是容易過(guò)載，在過(guò)載時(shí)會(huì)被燒損，可能造成功率因數(shù)過(guò)引、償而被罰款；另外，無(wú)源濾波器不能受控，因此隨著時(shí)間的推移，配件老化或電網(wǎng)負(fù)載的變動(dòng)，會(huì)使諧振頻率發(fā)生改變，濾波效果下降。更重要的是無(wú)源濾波器只能過(guò)濾一種諧波成份(如有的濾波器只能濾除三次諧波)，如果過(guò)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(guó)內(nèi)外有多種有源濾波器，這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)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(lái)著大****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(jìn)步以及基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)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(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)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(hào)處理(DSP)技術(shù)控制快速絕緣雙極晶體管(1GBT)來(lái)完成。
目前，在具體的諧波治理方面， 出現(xiàn)了無(wú)源濾波器(LC濾波器)與有源濾波器互補(bǔ)混合使用的方式，充分發(fā)揮LC濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、成本低，有源電力濾波器補(bǔ)償性能好的優(yōu)點(diǎn)，克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點(diǎn)，兩者結(jié)合使用，從而使整個(gè)系統(tǒng)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(chǎn)生的根本原因是由于使用了非線性負(fù)載，因此，解決的根本辦法是把產(chǎn)生諧波的負(fù)載的供電線路和對(duì)諧波敏感的負(fù)載的供電線路分開(如圖2所示)。由于非線性負(fù)載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產(chǎn)生一個(gè)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(fù)載，引起諧波電流在其上流過(guò)(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(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，國(guó)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(hù)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(hù)特性與功能，又加大了投資，增加供電系統(tǒng)的隱患。從圖2中可知，可以將線性負(fù)載與非線性負(fù)載從同一電源
接口點(diǎn)(PCC)就開始分別的電路供電，這樣可以使由非線性負(fù)載產(chǎn)生的畸變電壓不會(huì)傳導(dǎo)到線性負(fù)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(wú)諧波污染的綠色變頻器
綠色變頻器的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(fù)載時(shí)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(shí)可以保護(hù)整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響，實(shí)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，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(guò)消除最低次諧波來(lái)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(duì)于18脈沖，最低的諧波是17次和19次諧波。
變頻器中應(yīng)用的低諧波技術(shù)可，歸納如下：①逆變單元的并聯(lián)多重化，采用2個(gè)或多個(gè)逆變單元并聯(lián)，通過(guò)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(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。 ④ 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(jì)時(shí)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。
3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(wú)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(wú)諧波污染的綠色變頻器等方法，將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍內(nèi)，達(dá)到科學(xué)合理用電，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質(zhì)量。
1.1 什么是諧波
諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，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。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉(M．Fourier)分析原理證明，任何重復(fù)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(gè)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(hào)的為奇次諧波，而2、1 4，6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時(shí)，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(tǒng)中， 由于對(duì)稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。對(duì)于三相整流負(fù)載， 出現(xiàn)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(chǎn)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)
變頻器諧波治理應(yīng)注意下面幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)， 抗干擾標(biāo)準(zhǔn)：EN50082-1、-2，EN61800-3：輻射標(biāo)準(zhǔn)：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(biāo)準(zhǔn)EN50081和EN50082以及針對(duì)變頻器的標(biāo)準(zhǔn)EN61800(1ECl800-3)定義了設(shè)備在不同的環(huán)境中運(yùn)行時(shí)的輻射及抗干擾的水平。上述標(biāo)準(zhǔn)定義了在不同環(huán)境條件下的可接受輻射等級(jí)：L級(jí)，無(wú)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(jí)，根據(jù)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(dá)到商業(yè)級(jí)，通常用于非工業(yè)的環(huán)境。有關(guān)諧波治理的EMC標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)干擾，可采取 屏蔽，隔離，接地及濾波等技術(shù)手段。①使用無(wú)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(wú)諧波污染的綠色變頻器。
2.1 使用無(wú)源濾波器或有源濾波器
使用無(wú)源濾波器其主要是改變?cè)谔厥忸l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(bǔ)償非線性負(fù)載。
傳統(tǒng)的方式多選用無(wú)源濾波器，無(wú)源濾波器出現(xiàn)最早，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、運(yùn)行可靠性較高以及運(yùn)行費(fèi)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(wú)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(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩＿@種裝置存在一些較難克服的缺點(diǎn)，主要是容易過(guò)載，在過(guò)載時(shí)會(huì)被燒損，可能造成功率因數(shù)過(guò)引、償而被罰款；另外，無(wú)源濾波器不能受控，因此隨著時(shí)間的推移，配件老化或電網(wǎng)負(fù)載的變動(dòng)，會(huì)使諧振頻率發(fā)生改變，濾波效果下降。更重要的是無(wú)源濾波器只能過(guò)濾一種諧波成份(如有的濾波器只能濾除三次諧波)，如果過(guò)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(guó)內(nèi)外有多種有源濾波器，這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)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(lái)著大****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(jìn)步以及基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)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(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)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(hào)處理(DSP)技術(shù)控制快速絕緣雙極晶體管(1GBT)來(lái)完成。
目前，在具體的諧波治理方面， 出現(xiàn)了無(wú)源濾波器(LC濾波器)與有源濾波器互補(bǔ)混合使用的方式，充分發(fā)揮LC濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、成本低，有源電力濾波器補(bǔ)償性能好的優(yōu)點(diǎn)，克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點(diǎn)，兩者結(jié)合使用，從而使整個(gè)系統(tǒng)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(chǎn)生的根本原因是由于使用了非線性負(fù)載，因此，解決的根本辦法是把產(chǎn)生諧波的負(fù)載的供電線路和對(duì)諧波敏感的負(fù)載的供電線路分開(如圖2所示)。由于非線性負(fù)載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產(chǎn)生一個(gè)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(fù)載，引起諧波電流在其上流過(guò)(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(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，國(guó)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(hù)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(hù)特性與功能，又加大了投資，增加供電系統(tǒng)的隱患。從圖2中可知，可以將線性負(fù)載與非線性負(fù)載從同一電源
接口點(diǎn)(PCC)就開始分別的電路供電，這樣可以使由非線性負(fù)載產(chǎn)生的畸變電壓不會(huì)傳導(dǎo)到線性負(fù)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(wú)諧波污染的綠色變頻器
綠色變頻器的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(fù)載時(shí)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(shí)可以保護(hù)整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響，實(shí)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，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(guò)消除最低次諧波來(lái)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(duì)于18脈沖，最低的諧波是17次和19次諧波。
變頻器中應(yīng)用的低諧波技術(shù)可，歸納如下：①逆變單元的并聯(lián)多重化，采用2個(gè)或多個(gè)逆變單元并聯(lián)，通過(guò)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(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。 ④ 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(jì)時(shí)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。
3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(wú)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(wú)諧波污染的綠色變頻器等方法，將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍內(nèi)，達(dá)到科學(xué)合理用電，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質(zhì)量。