日前，管道公司油氣管道關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化課題組，在漠大線(xiàn)增輸工程對(duì)國(guó)產(chǎn)化變頻器進(jìn)行諧波測(cè)試。結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)化變頻器各項(xiàng)參數(shù)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求；繼2500千瓦級(jí)輸油泵機(jī)組后，又一油氣管道關(guān)鍵國(guó)產(chǎn)化設(shè)備成功通過(guò)驗(yàn)收。這標(biāo)志著，與西門(mén)子變頻器對(duì)比，國(guó)產(chǎn)化變頻器諧波達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

那么，什么究竟是諧波？

諧波定義示意圖

諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線(xiàn)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(xiàn)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）分析原理證實(shí)，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、14，6、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(chēng)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。

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(kāi)關(guān)特性，對(duì)其供電電源形成了一個(gè)典型的非線(xiàn)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)備經(jīng)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。

常用變頻器電流與諧波之間是什么關(guān)系呢？

進(jìn)線(xiàn)濾波器，射頻濾波器就電磁兼容性（EMC）方面來(lái)說(shuō)，任何電氣設(shè)備既要經(jīng)得起外界電磁現(xiàn)象的干擾而有一定的抗擾度能力，也不要散發(fā)干擾給其他電氣設(shè)備即產(chǎn)生電力公害。變頻器也不例外，干擾的頻率可分為低頻和高頻，其分界線(xiàn)在IEC1800）3標(biāo)準(zhǔn)中定為9kHz（有些標(biāo)準(zhǔn)定為10kHz）。此外，還有廣頻譜的干擾如空氣放電和接觸放電。這里指的是高頻，實(shí)際上針對(duì)的是射頻RF。

使用交流/直流電抗器的原理圖

根據(jù)IEC18003的介紹：許多電力傳動(dòng)系統(tǒng)（PDS）不帶濾波器在工業(yè)環(huán)境中工作正常而不干擾其他電器和設(shè)備，降低PDS干擾散發(fā)量的濾波器也降低了PDS的效率，增加了裝置的外形尺寸和成本。在多數(shù)情況下，使用該設(shè)備（指PDS譯注）并無(wú)干擾，但在射頻接受機(jī)或靈敏電器（例如甚低壓測(cè)量用），則需考慮降低干擾的方法（如高頻濾波）?？梢?jiàn)，實(shí)踐表明，降低通過(guò)電源傳導(dǎo)的高頻干擾而設(shè)置濾波器在多數(shù)工業(yè)環(huán)境下是沒(méi)有必要的。至于在住宅建筑環(huán)境下（它有眾多的收音機(jī)、電視機(jī)等），除了變頻器關(guān)于EMC標(biāo)準(zhǔn)的要求更高以外，裝設(shè)射頻濾波器也是要考慮的。

按照IEC標(biāo)準(zhǔn)要求，制造廠(chǎng)應(yīng)該提供變頻器進(jìn)線(xiàn)電流中的諧波含量。變頻器成套帶內(nèi)置進(jìn)線(xiàn)電抗器是一個(gè)合適的降低諧波的辦法，已經(jīng)有幾個(gè)廠(chǎng)家如ABB、施耐德、芬蘭VassaControl公司有這樣的產(chǎn)品，希望其他廠(chǎng)家也能仿效，逐步推廣。

在變頻器應(yīng)用多的低壓母線(xiàn)上集中裝設(shè)諧波濾波和無(wú)功補(bǔ)償裝置，是一個(gè)復(fù)雜費(fèi)力的工程問(wèn)題，也要花費(fèi)不低的成本，且占據(jù)空間。而變頻器內(nèi)置電抗器簡(jiǎn)單易行，諧波就地抑制不散發(fā)，它除抑制了諧波外，還帶來(lái)了一些其他好處，因此它是一個(gè)值得提倡、推廣的好方案。當(dāng)變壓器與變頻器的功率大小相當(dāng)時(shí)，變壓器已有4%的短路阻抗，此時(shí)變頻器已不必再增設(shè)線(xiàn)路電抗器了，因此，當(dāng)變頻器功率較大時(shí)，無(wú)論是內(nèi)置的或外設(shè)的電抗器，其電抗值宜分成等級(jí)如3%、2%、1%等，以適應(yīng)不同的變壓器阻抗且減小裝置的體積和成本。

無(wú)論是哪一種變頻器，都大量使用了晶閘管等非線(xiàn)性電力電子元件，不管采用哪種整流方式，變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式都不是連續(xù)的正弦波，而是從脈動(dòng)的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動(dòng)電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動(dòng)電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上，使電壓發(fā)生畸變，經(jīng)傅立葉原理分析可知，這種非同期正弦波電流是由于頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成。

使用隔離變壓器的原理圖

在制造業(yè)生產(chǎn)流程中，該如何抑制變頻器諧波呢？

一、抑制變頻器諧波的方法

1、變流回路的多重化

對(duì)于大容量的變頻器，可以在變頻器的輸入端裝設(shè)專(zhuān)用的電源輸入變壓器，將電源側(cè)變流器分為2個(gè)，利用該變壓器使輸入電流的相位錯(cuò)開(kāi)，以多重化來(lái)抑制變頻器向電源側(cè)的高次諧波。

2、安裝交流/直流電抗器

安裝電抗器實(shí)際是從外部增加變頻器供電電源的阻抗，在變頻器的交流側(cè)或直流側(cè)安裝電抗器或同時(shí)安裝，可以抑制諧波電流。采用交流/直流電抗器后，如圖2所示，進(jìn)線(xiàn)電流的（電壓畸變率）大約降低30%～50%，是不加電抗器諧波電流的1/2左右。

3、安裝有源電力濾波器

除傳統(tǒng)的LC調(diào)試濾波器目前還在應(yīng)用外，當(dāng)前抑制諧波的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用有源電力濾波器，它串聯(lián)或是并聯(lián)于主電路中，實(shí)時(shí)從補(bǔ)償對(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、方向相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波電流。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，其特性不受系統(tǒng)的影響，無(wú)諧波放大的危險(xiǎn)，因而倍受關(guān)注，在日本等國(guó)已獲得廣泛應(yīng)用。

4、增加變頻器供電電源內(nèi)阻抗

通常情況下，電源設(shè)備的內(nèi)阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無(wú)功功率的作用。這種內(nèi)阻抗就是變壓器的短路阻抗。電源容量相對(duì)變頻器容量越小，內(nèi)阻抗值相對(duì)越大，諧波含量越?。浑娫慈萘肯鄬?duì)變頻器容量越大，則內(nèi)阻抗值相對(duì)越小，諧波含量越大。所以選擇變頻器供電電源變壓器時(shí)，最好選擇短路阻抗大的變壓器。

5、安裝輸出電抗器

也可以采用在變頻器到電動(dòng)機(jī)之間增加交流電機(jī)器的方法，主要目的是減少變頻器的輸出在能量傳輸過(guò)程中，線(xiàn)路產(chǎn)生的電磁輻射。

二、設(shè)備自身減弱諧波及干擾的方法

1、使用隔離變壓器

使用隔離變壓器主要是應(yīng)對(duì)來(lái)自于電源的傳導(dǎo)干擾，如圖4所示。使用具有隔離層的隔離變壓器，可以將絕人部分的傳導(dǎo)干擾隔離在隔離變壓器之前。同時(shí)還可以兼有電源電壓變換的作用。隔離變壓器常用于控制系統(tǒng)中的儀表、PLC，以及其他低壓小功率用電設(shè)備的抗傳導(dǎo)干擾。

2、使用濾波模塊和組件

目前市場(chǎng)中有很多專(zhuān)門(mén)用于抗傳導(dǎo)干擾的濾波器模塊或組件，這些濾波器具有較強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)還能防止用電器本身的干擾傳導(dǎo)給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能，對(duì)各類(lèi)用電設(shè)備有很多好處。

3、接地抗干擾

接地是抑制噪聲和防止干擾的重要手段，良好的接地方式可在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。變頻器的接地方式有多點(diǎn)接地、一點(diǎn)接地及經(jīng)母線(xiàn)接地等幾種形式，要根據(jù)具體情況采用，注意不要因?yàn)榻拥夭涣级鴮?duì)設(shè)備產(chǎn)生干擾。

4、做好信號(hào)線(xiàn)的抗干擾

信號(hào)線(xiàn)承擔(dān)著檢測(cè)信號(hào)和控制信號(hào)的傳輸任務(wù)，毋庸質(zhì)疑，信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性，因此做好信號(hào)線(xiàn)的抗干擾是十分必要的。

值得一提的是，目前國(guó)內(nèi)變頻器諧波處理技術(shù)日漸成熟。由北京國(guó)電四維清潔能源技術(shù)有限公司研制生產(chǎn)的高壓變頻器，在北京密云經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)東吉路1號(hào)、天津東麗開(kāi)發(fā)區(qū)信通路6號(hào)、華能威海發(fā)電廠(chǎng)完成型式試驗(yàn)并獲得圓滿(mǎn)成功。測(cè)得裝置的輸出電壓相對(duì)諧波含量?jī)H為1%，是高壓變頻行業(yè)的又一項(xiàng)重大技術(shù)突破，大大減少了對(duì)電力系統(tǒng)的污染，與環(huán)境和諧合一。

（本文綜合中國(guó)報(bào)告大廳、工控老鬼、中國(guó)智能制造網(wǎng)、中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)、傳動(dòng)論壇資料，由中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)整編而成，圖片來(lái)源于中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)）