一變頻器諧波定義

　　變頻器諧波是變頻器運(yùn)行過程中，需要對輸入電源用大功率二極管整流（或晶體管/逆變模塊）進(jìn)行逆變；在其逆變過程中，在輸入輸出回路產(chǎn)生的高次諧波； 變頻器諧波對供電系統(tǒng)、負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾。

二變頻器諧波產(chǎn)生機(jī)理

01變頻器輸入端諧波產(chǎn)生機(jī)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。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)分解為基波和各次諧波，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)。如果電源側(cè)電抗充分小、換流重疊角"可以忽略，那么n次高次諧波為基波電流的1/n。

02變頻器輸出端諧波產(chǎn)生機(jī)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。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PWM最高載頻可達(dá)15kHz。同樣，輸出回路電流信號也可分解為只含基波和其他各次諧波。

三變頻器諧波特性

　　1、變頻器諧波有功功率是由非線性負(fù)荷產(chǎn)生；

　　2、變頻器諧波有功方向與基波有功方向相反，即由用戶端送入電網(wǎng)；

　　3、對于變頻器諧波源用戶而言，其計(jì)量入口處的總有功將是基波有功和諧波有功之代數(shù)和（實(shí)為相減）；

　　4、非線性負(fù)荷在其工作過程中將基波的部分功率轉(zhuǎn)變成諧波有功，諧波有功將在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)流動，并在各輸配電元件和其他設(shè)備中產(chǎn)生損耗和干擾；

四變頻器諧波危害

　　通常來講，變頻器諧波對容量相對較大的電力系統(tǒng)影響不很明顯；而對容量小的電力系統(tǒng)，變頻器諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視，它對公用電網(wǎng)是一種污染。

　　變頻器諧波污染對電力系統(tǒng)的危害是嚴(yán)重的，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

01變頻器諧波降低電力設(shè)備使用壽命

　　如變頻器電流諧波將會使變壓器的銅損增加。變頻器電壓諧波將增加鐵損，使其溫度上升，影響絕緣能力，并造成容量裕度減小。同時(shí)變頻器諧波也可能引起變壓器繞組及線間電容之間的共振。

02變頻器諧波影響各電器元件正常工作

　　變頻器輸出諧波對電動機(jī)的影響有：電機(jī)附加發(fā)熱使電機(jī)額外升溫；產(chǎn)生機(jī)械震動、噪音及過電流。變頻器諧波會使電力電容發(fā)生過載、過熱甚至損壞電容器。當(dāng)電容器與線路阻抗達(dá)到共振時(shí)會發(fā)生振動、短路、過電流及產(chǎn)生噪聲。變頻器諧波電流會使開關(guān)設(shè)備在啟動瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率，破壞絕緣。

03變頻器諧波的其它危害

　　變頻器諧波將使繼電保護(hù)和自動裝置出現(xiàn)誤動作，并使儀表和電能計(jì)量出現(xiàn)較大誤差；變頻器諧波對其他系統(tǒng)及電力用戶危害也很大：如對附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者出現(xiàn)噪聲，降低通信質(zhì)量，重者丟失信息，使通信系統(tǒng)無法正常工作；影響電子設(shè)備工作精度，使精密機(jī)械加工的產(chǎn)品質(zhì)量降低；設(shè)備壽命縮短，家用電器工況變壞等。

五變頻器諧波測量

　　假設(shè)SPWM波的載波頻率為fc，基波頻率為fs，fc/fs稱為載波比N，對于三相變頻器，當(dāng)N為3的整數(shù)倍時(shí)，輸出不含3次諧波及3的整數(shù)倍諧波。且諧波集中載波頻率整數(shù)倍附近，即諧波次數(shù)為：kfc±m(xù)fs，k和m為整數(shù)。

　　下圖是基波頻率fs=50Hz，載波頻率fc=3kHz，調(diào)制比為0.8的SPWM的波形及頻譜的Matlab仿真圖。

　　圖中58次諧波和60次諧波的幅值分別為27.8%和27.7%，含量最大的諧波為119次和121次諧波，諧波幅值分別為39.1%和39.3%。即最大諧波在兩倍載波頻率附近。

　　隨著諧波頻率的升高，諧波幅值整體呈現(xiàn)下降趨勢，按照GB/T22670變頻器供電三相籠型感應(yīng)電動機(jī)試驗(yàn)方法的規(guī)定，變頻電量變送器的帶寬應(yīng)該在載波頻率的6倍以上，當(dāng)載波頻率為3kHz時(shí)，帶寬至少為18kHz，實(shí)際使用建議采用30kHz以上帶寬的變頻功率傳感器及變頻功率分析儀。　

 

用于變頻器諧波測量的WP4000變頻功率分析儀

　　實(shí)際的SPWM波，其載波比不一定為整數(shù)，此時(shí)，為了降低頻譜泄露，可適當(dāng)增加傅里葉窗口長度，對多個(gè)基波周期的PWM進(jìn)行傅里葉變換（FFT或DFT）。

六變頻器諧波治理

　　治理變頻器諧波問題，抑制輻射干擾和供電系統(tǒng)干擾，可采取屏蔽、隔離、接地等技術(shù)手段。

01安裝適當(dāng)?shù)碾娍蛊?/p>

　　在變頻器輸入側(cè)與輸出側(cè)串接合適的電抗器，吸收諧波和增大電源或負(fù)載的阻抗，達(dá)到抑制諧波的目的，以減少傳輸過程中的電磁輻射。通過抑制諧波電流，將功率因數(shù)由原來的(0.5-0.6)提高至（0.75-0.85）；

02電源隔離或安裝隔離變壓器

　　將變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立，或在變頻器和其他用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器，切斷諧波電流；

03避免干擾輻射

　　電動機(jī)和變頻器之間電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜，并與其他弱電信號在不同的電纜溝分別敷設(shè)，避免輻射干擾；

04變頻器正確的接地

　　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(shè)備本身對外界的干擾。變頻器使用專用接地線，且用粗短線接地，鄰近其他電器設(shè)備的地線必須與變頻器配線分開，使用短線，這樣能有效抑制電流諧波對鄰近設(shè)備的輻射干擾；

05縮短線路長度

　　縮短線路長度，電源線和信號線單獨(dú)敷設(shè)，避免交叉，不能避免時(shí)，必須垂直交叉，絕對不能平等敷設(shè)，信號線屏蔽層不接到電機(jī)或變頻器的地，而應(yīng)該接到控制線路的公共端；

06安裝EMI電源濾波器

　　當(dāng)前抑制變頻器諧波的一個(gè)重要趨勢是采用EMI電源濾波器，它串聯(lián)或是并聯(lián)于主電路中，實(shí)時(shí)從補(bǔ)償對象中檢測出變頻器諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該變頻器諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波電流。EMI電源濾波器能對頻率和幅值都變化的變頻器諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，其特性不受系統(tǒng)的影響，無諧波放大的危險(xiǎn)，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。

 

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　　變頻器諧波分析關(guān)鍵技術(shù)

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