變頻器諧波

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體整流（或電晶體/逆變模組）進行逆變；在其逆變過程中，在輸入輸出迴路產生的高次諧波； 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。

定義

通過傅立葉級數對諧波的分析表明，任何周期性變化的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波整數倍數的諧波的正弦波分量。

變頻器基波與諧波波形圖

變頻器諧波是一個周期量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍，變頻器諧波的幅值大小和諧波相對於基波的相位關係都是影響這個周期量的重要因素。通俗地說，基波頻率是50HZ，那么諧波就是頻率為100HZ、150HZ、200HZ...N*50HZ的正弦波。

產生機理

實際上不限於變頻器，晶閘管供電的直流電動機、無換向器電動機等凡是在電源側有整流迴路的，都將產生因其非線性引起的高次諧波。

2.1、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電晶體開關元件逆變為頻率可變的交流電壓。在整流迴路中，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。

2.2、變頻器輸出端諧波產生機理

在逆變輸出迴路中，輸出電流信號是受PWM載波信號調製的脈衝波形。對於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，輸出迴路電流信號也可分解為只含基波和其他各次諧波。

特性

3.1、變頻器諧波有功功率是由非線性負荷產生；

3.2、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；

3.3、對於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）；

3.4、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，諧波有功將在網路內流動，並在各輸配電元件和其他設備中產生損耗和干擾；

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，主要有以下幾個方面：

4.1、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，並造成容量裕度減小。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。

4.2、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。

4.3、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，並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。

治理

變頻器諧波治理應注意下面幾個標準：

5.1、抗干擾標準

5.1.1、EN50082-1

5.1.2、EN50082-2

5.1.3、EN61800-3

5.2、輻射標準

5.2.1、EN5008l-1

5.2.2、EN5008l-2

5.2.3、EN61800-3

5.3、其它標準

5.3.1、IECl0003

5.3.2、IECl800-3(EN61800-3)

5.3.3、IEC555(EN60555)

5.3.4、IEEE519-1992。

諧波測量

下圖為兩電平變頻器和三電平變頻器輸出的電壓和電流波形圖。

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，對於三相變頻器，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，調製比為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，變頻電量變送器的頻寬應該在載波頻率的6倍以上，當載波頻率為3kHz時，頻寬至少為18kHz，實際使用建議採用30kHz以上頻寬的變頻功率感測器及變頻功率分析儀。

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，可適當增加傅立葉視窗長度，對多個基波周期的PWM進行傅立葉變換（FFT或DFT）。

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，可採取禁止、隔離、接地等技術手段。

6.1、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）；

6.2、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；

6.3、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，並與其他弱電信號在不同的電纜溝分別敷設，避免輻射干擾；

6.4、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；

6.5、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，信號線禁止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；

6.6、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採用EMI電源濾波器，它串聯或是並聯於主電路中，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，因而獲得了廣泛的套用；

EMI電源濾波器MLAD系列輸入端專用型

減少或削弱變頻器的方法還有：

（1） 在變頻器與電動機之間增加交流電抗器，以減少傳輸過程中的電磁輻射。

（2） 使用具有間隔層的變壓器，可以將絕大部分的傳導干擾隔離在變壓器之前

（3） 採用具有一定消除高頻干擾的雙積分A/D轉換器、

（4） 選用具有開關電源的儀表等低壓電器

（5） 信號線與動力線分開配線，儘量使用雙絞線降低共模干擾

（6） 在使用單片機、PLC等為核心的控制系統中，在編制軟體的時候適當增加對檢測信號和輸出控制部分的軟體濾波，以增強系統自身的抗干擾能力。