一變頻器諧波定義

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

二變頻器諧波產生機理

01變頻器輸入端諧波產生機理

　　變頻器的主電路一般為交一直一交組成，外部輸入380V/50Hz的工頻電源經三相橋路不可控整流成直流電壓，經電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可變的交流電壓。在整流回路中，輸入電流的波形為不規則的矩形波，波形按傅立葉級數分解為基波和各次諧波，諧波次數通常為6n±1次高次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統。如果電源側電抗充分小、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生機理

　　在逆變輸出回路中，輸出電流信號是受PWM載波信號調制的脈沖波形。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荷產生；

　　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；

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

　　4、非線性負荷在其工作過程中將基波的部分功率轉變成諧波有功，諧波有功將在網絡內流動，并在各輸配電元件和其他設備中產生損耗和干擾；

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影響不很明顯；而對容量小的電力系統，變頻器諧波產生的干擾就不可忽視，它對公用電網是一種污染。

　　變頻器諧波污染對電力系統的危害是嚴重的，主要表現在以下幾個方面：

01變頻器諧波降低電力設備使用壽命

　　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的影響有：電機附加發熱使電機額外升溫；產生機械震動、噪音及過電流。變頻器諧波會使電力電容發生過載、過熱甚至損壞電容器。當電容器與線路阻抗達到共振時會發生振動、短路、過電流及產生噪聲。變頻器諧波電流會使開關設備在啟動瞬間產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和自動裝置出現誤動作，并使儀表和電能計量出現較大誤差；變頻器諧波對其他系統及電力用戶危害也很大：如對附近的通信系統產生干擾，輕者出現噪聲，降低通信質量，重者丟失信息，使通信系統無法正常工作；影響電子設備工作精度，使精密機械加工的產品質量降低；設備壽命縮短，家用電器工況變壞等。

五變頻器諧波測量

　　假設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N為3的整數倍時，輸出不含3次諧波及3的整數倍諧波。且諧波集中載波頻率整數倍附近，即諧波次數為：kfc±mfs，k和m為整數。

　　下圖是基波頻率fs=50Hz，載波頻率fc=3kHz，調制比為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，諧波幅值整體呈現下降趨勢，按照GB/T22670變頻器供電三相籠型感應電動機試驗方法的規定，變頻電量變送器的帶寬應該在載波頻率的6倍以上，當載波頻率為3kHz時，帶寬至少為18kHz，實際使用建議采用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

　　實際的SPWM波，其載波比不一定為整數，此時，為了降低頻譜泄露，可適當增加傅里葉窗口長度，對多個基波周期的PWM進行傅里葉變換（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干擾，可采取屏蔽、隔離、接地等技術手段。

01安裝適當的電抗器

　　在變頻器輸入側與輸出側串接合適的電抗器，吸收諧波和增大電源或負載的阻抗，達到抑制諧波的目的，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

　　將變頻系統的供電電源與其他設備的供電電源相互獨立，或在變頻器和其他用電設備的輸入側安裝隔離變壓器，切斷諧波電流；

03避免干擾輻射

　　電動機和變頻器之間電纜應穿鋼管敷設或用鎧裝電纜，并與其他弱電信號在不同的電纜溝分別敷設，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有效地抑制外來干擾，又能降低設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敷設，避免交叉，不能避免時，必須垂直交叉，絕對不能平等敷設，信號線屏蔽層不接到電機或變頻器的地，而應該接到控制線路的公共端；

06安裝EMI電源濾波器

　　當前抑制變頻器諧波的一個重要趨勢是采用EMI電源濾波器，它串聯或是并聯于主電路中，實時從補償對象中檢測出變頻器諧波電流，由補償裝置產生一個與該變頻器諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，從而使電網電流只含基波電流。EMI電源濾波器能對頻率和幅值都變化的變頻器諧波進行跟蹤補償，其特性不受系統的影響，無諧波放大的危險，因而獲得了廣泛的應用。

 

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