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技術(shù)文章

變頻器諧波污染及治理
變頻器諧波污染及治理:變頻調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的意義，但是由于變頻器在輸入回路中產(chǎn)生的高次諧波電流，對(duì)供電系統(tǒng)，負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾；尤其是在高精度儀表、微電子控制系統(tǒng)等應(yīng)用中，諧波干擾問(wèn)題尤為突出。本文從變頻器工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，從隔離、濾波和接地三個(gè)方面**闡述了抑制和消除干擾的方法，對(duì)提高變頻器等工業(yè)設(shè)備運(yùn)行的可靠性和**性提供參考。
一、變頻器諧波產(chǎn)生機(jī)理
    凡是在電源側(cè)有整流回路的，都將因其非線性而產(chǎn)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(jīng)晶閘管三相橋路整流成直流，經(jīng)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(jí)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(cè)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。
二、高次諧波危害
    諧波問(wèn)題由來(lái)已久，近年來(lái)這一問(wèn)題因由于兩個(gè)因素的共同作用變得更加嚴(yán)重。這兩個(gè)因素是：工業(yè)界為提高生產(chǎn)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(guān)設(shè)備的使用迅猛增長(zhǎng)，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。
    非線形負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流注入電網(wǎng)，使變壓器低壓側(cè)諧波電壓升高，低壓側(cè)負(fù)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(guò)供電變壓器傳遞到高壓側(cè)干擾其它用戶。
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(shè)備產(chǎn)生的，使供電系統(tǒng)中的中性線電流很大。當(dāng)中性線上有較大的諧波電流時(shí)，中性導(dǎo)線的阻抗在諧波下能產(chǎn)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(jì)算機(jī)和各種微電子系統(tǒng)的正常工作，使控制設(shè)備和精密儀器工作不可靠，故障率高。
高次諧波的危害具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
變壓器
    諧波電流和諧波電壓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。
感應(yīng)電動(dòng)機(jī)
    諧波同樣使電動(dòng)機(jī)銅損和鐵損增加，溫度上升。同時(shí)諧波電流會(huì)改變電磁轉(zhuǎn)距，產(chǎn)生振動(dòng)力矩，使電動(dòng)機(jī)發(fā)生周期性轉(zhuǎn)速變動(dòng)，影響輸出效率，并發(fā)出噪聲。
開(kāi)關(guān)設(shè)備
    由于諧波電流使開(kāi)關(guān)設(shè)備在起動(dòng)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(huì)引起開(kāi)關(guān)跳脫、引起誤動(dòng)作。
保護(hù)電器電流中含有的諧波會(huì)產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)距，改變電器動(dòng)作特性，引起誤動(dòng)作，甚至改變其操作特性，或燒毀線圈。
計(jì)量?jī)x表
    計(jì)量?jī)x表因?yàn)橹C波會(huì)造成感應(yīng)盤(pán)產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)矩，引起誤差，降低精度，甚至燒毀線圈。
電力電子設(shè)備
    電力電子設(shè)備通?？?*電源零交叉原理或電壓波形的形態(tài)來(lái)控制和操作，若電壓有諧波成分時(shí)，零交叉移動(dòng)、波形改變、以致造成許多誤動(dòng)作。
計(jì)算機(jī)和一些其它電子設(shè)備，通常要求總諧波電壓畸變率(THD)小于5%，且個(gè)別諧波電壓畸變率低于3%，較高的畸變量可導(dǎo)致控制設(shè)備誤動(dòng)作，進(jìn)而造成生產(chǎn)或運(yùn)行中斷，導(dǎo)致較大的經(jīng)濟(jì)損失。
電力電纜
    高頻諧波電流會(huì)在導(dǎo)體中引起集膚效應(yīng)，產(chǎn)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(huì)超過(guò)相電流，使中性線發(fā)熱，加速絕緣層老化，甚至引起火災(zāi)。此外當(dāng)中性線上有較大的諧波電流時(shí)，導(dǎo)線的阻抗能產(chǎn)生大的中性線電壓降，干擾各種微電子系統(tǒng)的正常工作。
電力電容器
    高次諧波由于頻率增大，電容器對(duì)高次諧波阻抗減小，因過(guò)電流而導(dǎo)致溫度升高過(guò)熱、甚至損壞電容器；電容器與系統(tǒng)中的感性負(fù)荷構(gòu)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(jīng)由電容器組電容和電網(wǎng)電感形成的并聯(lián)諧振回路，可被放大到10-15倍。