1.引言

變頻技術已廣泛應用于變頻空調、變頻電冰箱、變頻微波爐、變頻器洗衣機、變頻電磁爐、變頻電機、伺服電機……這些都是變頻技術給大眾帶來的公益性，更主要的是能夠實實在在給我們帶來實惠。變頻技術在節能、提高產品質量、提高自動控制、增加設備使用壽命、增加環境舒適性等方面發揮著巨大的作用。但它并非沒有缺點，也產生了一些負面作用，比如在各行業應用中會對電網產生污染或不良影響。

2．變頻調速器產生諧波

圖1.1 變頻器主電路

變頻技術中最具代表性的是“變頻調速裝置”，全稱是交流變頻調速器，用于交流電機，在調整輸出頻率的同時按比例調整輸出電壓，從而改變電機轉速，以達到交流電機調速的目的。變頻調速器分為交-交和交-直-交兩種形式，國產變頻調速器的主電路一般為交-直-交組成，本文主要討論交-直-交變頻調速器，其基本結構如圖1.1所示。交-直-交變頻器是先把工頻交流電通過三相整流器變成直流電（直流環節可以是電感器或是電容器），然后再把直流電變換成頻率、電壓均可調控的交流電；主電路包括整流器、直流環節、逆變器。

由于變頻器采用的電路結構是“整流器—電容/電感器—逆變器”，無論是整流器或是逆變器都具有非線性特性，所以它會產生高次諧波。這種高次諧波會使輸入電源的電壓波形和電流波形發生畸變。如果不采取有效抑制措施，它對各種電氣設備，自動化裝置、計算機、計量儀器以及通信系統均有不同程度的影響。對于供電線路來說，由于高次諧波的作用，惡化了電網質量指標，降低了電網的可靠性，增加了電網損失，縮短了電氣設備的壽命。

3．諧波和無功功率的產生

3．1在輸入側產生諧波機理

圖1.2 三相橋式整流回路及輸入側波形

目前，國內電力電子裝置的應用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源，其中就包括變頻調速器。在變頻調速器輸入側，整流電路所占的比例最大，如圖1.2中（B）所示。目前，國內變頻調速器常用的整流電路幾乎都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，其中以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。帶阻感負載的整流電路所產生的諧波污染和功率因數滯后已為人們所熟悉。變頻調速器直流側采用電容濾波或電感濾波的二極管整流電路也是嚴重的諧波污染源。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同，因而基波功率因數接近1。 但其輸入電流為非正弦波，如圖1.2中（A）所示，它含有豐富的高次諧波成分，給電網造成嚴重污染，也使得總的功率因數降低。

變頻調速裝置屬于非線性裝置也要消耗無功功率，如三相橋式整流電路在調整電壓時，在工作時基波電流滯后于電網電壓，要消耗大量的無功功率。另外，這些裝置也會產生大量的諧波電流，諧波源都是要消耗無功功率的。二極管整流電路的基波電流相位和電網電壓相位大致相同，所以基本不消耗基波無功功率。但是它也產生大量的諧波電流，因此也消耗一定的無功功率。

3．2在輸出側產生諧波機理

圖1.3 逆變回路及輸出側波形

在逆變輸出回路中，輸出電壓和輸出電流均有諧波。如圖1.3中（C）所示，由于變頻器是通過DSP產生6路脈寬可調的PWM波控制三相的6組功率元件導通/關斷，從而形成電壓、頻率可調的三相輸出電壓。其輸出電壓和輸出電流是由PWM波和三角載波的交點產生的，不是標準的正弦波，如電壓型變頻器，其輸出電壓波形為方形波，如圖1.3中（A）所示，用傅氏級數分解電壓方波和電流正弦鋸齒波可分析出包含較強的高次諧波成分，高次諧波對設備產生很強的干擾，甚至造成設備不能使用，周圍儀器信號失真。諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。輸出電流中也具有頻率很高的高次諧波成分，如圖1.3中（B）所示。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。其中諧波頻率的高低與變頻器調制頻率有關，調制頻率低（1-2KHz），人耳聽得見高次諧波產生的電磁噪聲（尖叫聲）；若調制頻率高（如IGBT變頻器可達20KHz），人耳聽不見，但高頻信號客觀存在。從電力方波及電流正波的基波和其他各次諧波，而高次諧波電流對負載直接干擾。另外，高諧波電流還通過電纜向空間輻射，干擾附近電器設備。

4．諧波的危害及對設備的影響

由于變頻調速技術的不斷擴大，因此諧波污染電力系統及周圍設備的影響就日益嚴重，甚至造成其它電子設備不能正常工作。例如：

（1）增加了電網中產生諧振的可能性，從而造成很高的過電流或過電壓而引發事故的危險性。

（2）增加附加損耗，如電流諧波將會使變壓器的銅損增加。電壓諧波將增加鐵損。

（3）使電氣設備（如電動機、電容器、變壓器等）使用不正常，產生發熱損耗、機械震動、噪音、輸出功率損耗；從而導致電機過熱，加速絕緣老化，從而縮短它們的使用壽命。

（4）使測量和計量儀器、儀表、自動裝置、計算機系統，以及許多用電設備運轉不正常，影響設備測量精度，出現誤動作或誤差，使機械產品加工質量降低。

（5）干擾通信系統，降低信號的傳輸質量，破壞信號的正常傳遞，甚至損壞通信設備。

（6）某些情況下，它不僅產生諧波，而且還引起供電電壓波動和閃變，甚至引起三相電壓不平衡，會危及電網安全經濟運行，并影響電氣設備的正常使用。

5．減小和防止諧波的方法

為了減小高次諧波產生的干擾，原則上應該對發生源（變頻器）進行抑制。對小容量的變頻調速器，高次諧波很少，當使用大容量時，往往會產生高次諧波電流和高次諧波干擾問題，為解決變頻調速裝置的諧波污染問題，基本思路有兩條：一條是裝設諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的；另一條是對電力電子裝置本身進行改造（例如結構、工藝、控制等），使其不產生諧波，且功率因數可控制為1，這當然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。因此對于高次諧波先采取適當的對策和預防措施。具體方法如下：

5.1增加電抗器

電抗器分交流電抗器（包括輸入與輸出電抗器）與直流電抗器，如圖1.4、1.5所示。選擇合適的電抗器與變頻器配套使用，可以起到如下效果：

（1）可以抑制諧波電流，抑制電動機噪聲，抑制輸入中的浪涌電流；

（2）可以降低變頻器系統所產生的諧波總量，提高功率因數；

（3）可以抑制來自電網的浪涌電流對變頻器的沖擊；

（4）可以保護變頻器，提高變頻器和電機的可靠運行；

（5）可以補償連接長導線的充電電流，從而使電動機在引線較長時也能正常工作。

圖1.4 交流電抗器

圖1.5 直流電抗器

安裝電抗器應注意以下幾個問題：

（1）電抗器必須安裝在距離變頻器最近的地方，盡量縮短與變頻器的引線距離。

（2）不能將電源線扭成繩或辮，盡量與控制線分開走線。

（3）為了避免電抗器在使用和運輸過程中震動損壞，請于安裝時將螺絲緊固，以免產生噪音與事故。

5.2加裝EMI 濾波器

圖1.6所示，濾波器的作用是為了抑制從導線及金屬管線上傳導無線信號到設備中去，將來自變頻器的高次諧波分量與電源系統的阻抗分離，或者抑制干擾信號從干擾源設備通過電源線傳導到外邊去。此處是抑制干擾信號從變頻器通過電源線傳導到電源或電動機去。

加裝EMI濾波器，還可以減少電磁噪聲和損耗。很多人認為EMI電源濾波器的作用是使設備能夠滿足電磁兼容標準中對傳導發射和傳導敏感度的要求，但這是不全面的。EMI電源濾波器對抑制設備產生的較強輻射干擾方面也很重要，合理的解釋是：EMI電源濾波器能防止設備本身產生的干擾進人電源線，同時防止電源線上的干擾進入設備。

圖1.6 EMI濾波器

5.3其它措施與方法

（1） 在高頻沖擊負載如電焊機、電鍍電源、電解電源等場合建議用戶增加無功靜補裝置，提高電網功率因數和質量。

（2） 在變頻器比較集中的車間，建議采用集中整流，直流共母線供電方式。建議用戶采用脈沖整流模式。優點是，諧波小、節能，特別適用于頻繁起制動、電動運行與發電運行同時進行的場合。

（3） 變頻器輸入側加裝有源PFC裝置，效果最好，但成本較高。

（4） 改善變頻器結構，減少變頻系統注入電網的諧波、無功等污染。

（5）提高變頻器載波頻率，可以有效抑制低次諧波。PWM輸出的載波頻率對電機的噪聲有很大的影響，對變頻器的干擾也有影響。所以只要載波頻率足夠大，較低次諧波就可以被有效地抑制。

（6） 采用更合適的控制策略來優化或改進，可以更大限度地減少諧波的產生；如在實際應用中常用的正弦脈沖寬調制法（SPWM）和特定消諧法（SHE）。

6．結語

雖然變頻調速器在國內應用得很成功，也得到了用戶和專家的好評，但我們也清醒地認識到這是一種鼓勵，實際上產品性能的完善、長期可靠性以及減少對電網產生的污染等還有很長的路要走，我們在提高產品竟爭力、品牌形象時，還要進一步優化控制方式、完善結構設計、降低諧波污染、為各行業提供更優良的變頻設備。只要我們一步一個腳印的把變頻事業做好做強，國內民族品牌的前景一定會越來越好。