浅析治理变频器产生谐波的应用-专业论文-自动化应用案例

浅析治理变频器产生谐波的应用

发布日期：2020-08-28 来源：《变频器世界》20-06期作者：林志刚张盛浏览次数：16449

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【摘　要】：变频器运行对电网所产生的高分量谐波电流极大的影响了电网质量，使同电网中的用电设备不能正常使用。根据相关的政策法规本文阐述了变频器产生谐波电流的几种治理方案优缺点，结合实际案例重点分析了有源滤波器（APF）在治理变频器产生谐波电流的明显应用效果。

关键词：变频器；谐波；无源滤波器；有源滤波器

Abstract: The high component harmonic current generated by the frequency converter greatly affects the quality of the power grid and makes the electrical equipment in the same power grid unable to be used normally. According to relevant policies and regulations, this paper expounds the advantages and disadvantages of several management schemes for inverter to produce harmonic current, focuses on analyzing the obvious application effect of active filter (APF) in regulating inverter to produce harmonic current.

Key words: Frequency converter; Harmonic; Passive filter; Active filter

1 引言

在理想的情况下，优质的电力供应应该提供具有正弦波形的电压。但在实际中供电电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形，即产生谐波。我们所说的供电系统中的谐波是指一些频率为基波频率(在我国取工业用电频率50Hz为基波频率)整数倍的正弦波分量，又称为高次谐波。在供电系统中，产生谐波的根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备(又称为非线性负荷)供电的结果。这些非线性负荷在工作时向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电源质量变坏。

随着科学技术的发展，随着工业生产水平和人民生活水平的提高，非线性用电设备在电网中大量投运，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。过高的谐波分量不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，造成了这些装置的误动与拒动，直接威胁电网的安全运行。

2 谐波概述

在交流电源系统中，含有大量谐波的电源设备可以等效为一个线性负载和一系列的谐波电流源。可以认为，连接到交流电源的非线性负载从交流电源吸取基波电流并向交流电源反馈各种频率的谐波电流。谐波电流值和电源内阻越大，谐波所造成的电压波形失真也就越大，所造成的危害也越大。

我们知道在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。所谓非线性，就是自变量和变量之间不成线性关系，成曲线或者其他关系。用函数解释则为：y=f（x），当为一次函数时，y与x是线性关系，为其他条件时为非线性关系。在电子线路中，电压与电流不成线性关系，在负载的投入、运行过程中，电压和电流的关系是经常变化的。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。

根据法国数学家傅立叶分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波频率是基波频率的整倍数，可以区分为偶次与奇次，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为l00Hz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19次等。

3 谐波的危害

谐波对电力系统的污染日益严重，谐波源的注入使电网谐波电流、谐波电压增加，其危害波及全网，对各种电气设备都有不同程度的影响和危害。具体的危害如下：

（1）对变压器来说，在变压器绕组中有谐波电流，在铁芯中感应磁通，铁芯产生热损耗，尤其是涡流损耗大，产生铁损。

（2）架空线路谐波电流产生热损，较大的高次谐波电流分量能显著地延缓潜供电流的熄灭，导致单相重合闸失败。电缆中的谐波电流会产生热损，使电缆介损、温升增大。谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外，还将对相邻通讯线路产生干扰影响。

（3）电力电容器由于谐波电流会引起附加绝缘介质损耗，加快电力电容器绝缘老化。

（4）系统谐波电压或电流发生谐振则引起过电压和过电流，对电气设备绝缘损坏，引起噪音与振动。

（5）对设备来说，电子计算机会由于谐波干扰发生失真；工业电子设备功能会因其被破坏。对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作，造成电能计量的误差。

（6）谐波对继电保护和自动控制装置产生干扰，造成误动和拒动。尤其是一些衰减时间较长的暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值大、谐波含量也很大，更容易引起继电保护的误动作。

4 变频器产生谐波的治理
变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压，经电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流电压。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，谐波次数通常为6n±1次高次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。如果电源侧电抗充分小、换流重叠角可以忽略，那么n次高次谐波为基波电流的1/n。

变频器输入端产生的谐波将会使电网中继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差，对附近的通信系统产生干扰，轻者出现噪声，降低通信质量，重者丢失信息，使通信系统无法正常工作；影响电子设备工作精度，使精密机械加工的产品质量降低；设备寿命缩短，家用电器工况变坏等。

为了治理变频器输入端谐波对公用电网的污染，一般在变频器前端串入无源滤波器或并接有源滤波器，还有采用IGBT替代晶闸管整流装置的变频器（四象限变频器）等方式。

4.1 采用无源滤波器

无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。无源滤波器由电感、电容和电阻等被动元件组成，将其设计为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道。如图1所示为无源滤波原理图。

图1 无源滤波原理图

优点：结构简单、成本低廉、运行可靠性较高。

缺点：

● 无源滤波器是串联接入变频器电源端，安装较复杂。

● 通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。

● 出于成本和空间要求，调谐支路一般只能是一条，因此THDI最多只能控制在到5%。

● 此外，调谐支路存在容易和电网侧发生谐振，放大电网谐波电压。

4.2 采用IGBT替代晶闸管整流装置的变频器（四象限变频器）

IGBT功率模块可以实现能量的双向流动,采用IGBT做整流装置的四象限变频器,用高速度、高运算能力的DSP产生PWM控制脉冲矢量控制算法实现了变频器输入电流与电网电压完全同步，电动状态时输入电流与电网电压相位一致；发电状态时输入电流与电网电压相位相反。输入电流波形始终保持很好的正弦度，实现了单位功率因数，输入电流的总畸变率较低，实现消除对电网的谐波污染，如图2所示为四象限变频器工作原理图。

图2 四象限变频器工作原理图

优点：满载运行时治理谐波效果较好。

缺点：

● 四象限变频器硬件方面主就是整流和逆变电路都使用可双向导通的半导体元件，一般是IGBT，相比两象限变频器的晶闸管或二极管来说成本比较高。

● 由于变频器前端采用的电感和电容滤波电路均为额定满载功率配置，在变频器满载运行时输入电流的总畸变率能够非常低，但是在变频器非满载运行时输入电流的总畸变率会有所提高，整体来说谐波治理效果不理想。
4.3 采用有源滤波器

有源滤波器（Active Power Filter，简称APF）是通过外部互感器实时采集电流信号，通过内部检测电路分离出其中的谐波部分，通过IGBT功率变换器产生与系统的谐波大小相等相位相反的补偿电流注入变频器电源端的电网，实现滤除谐波的功能。如图3所示为有源滤波器内部工作原理图。

图3 有源滤波器内部工作原理图

优点：

● 有源滤波器是并联接在变频器电源端，安装方便，且可以灵活的作为选配装置，不用对现有变频器进行更改。

● 受负载阻抗影响较小，全功率负载下治理谐波效果好。

缺点：成本相对较高。

分析比较以上三种变频器运行时输入端产生谐波的治理方案后，采用有源滤波器的方案相对比较理想，下面就具体案例进行数据比较。

5 案例分析

上海辛格林纳新时达电机有限公司生产的AS720系列液冷变频器已经大量应用于中央空调压缩机的驱动系统中，AS720液冷变频器与有源滤波器配合使用来治理变频器运行时对电源电网产生的谐波。以下就部分波形和数据做分析。测试点均为有源滤波器电源端即电网侧，如图4所示。

图4 有源滤波器治理变频器产生谐波的应用拓扑图

（1）图5所示为变频器在100%负载下的测试数据。

（2）图6所示为变频器在70%负载下的测试数据。

（3）图7所示为变频器在50%负载下的测试数据。

（4）图8所示为变频器在30%负载下的测试数据。

测试具体数据汇总如附表所示。

附表测试具体数据汇总

变频器负载率	100%	70%	50%	30%
电网电流（A）	340	246	180	100
APF装置电流（A）	146	116	105	89
APF未投入时谐波电流分量	35.8%	40.6%	47.6%	67.7%
APF投入时谐波电流分量	4.2%	5.8%	8.8%	10.9%

由以上波形和数据可以看出，在投入有源滤波器后，不同的负载情况下电网侧的谐波电流分量得到了大幅度降低。上海辛格林纳新时达电机有限公司已经将有源滤波器和变频器完美结合的这种方式广泛应用于中央空调、皮带运输等大功率电机驱动系统中的谐波治理，解决了用户电源电网由于变频器运行时受谐波干扰的困扰，得到大量客户的一致好评。

6 结语

在随着变频器应用越来越广泛的同时，变频器运行时对电网产生的谐波也随之被大家关注，无论使用无源滤波器、有源滤波器（APF）还是采用IGBT替代晶闸管整流装置的变频器（四象限变频器）的方式，均能不同程度的解决谐波问题，尤其是使用有源滤波器并联在变频器电源端的方式，不仅安装方便，且在变频器不同负载下谐波分量均能控制在很低水平，由于有源滤波器采用了大量IGBT功率器件，在降低成本和提高稳定性等方面还需广大研发工程师们进一步努力。