變頻器的諧波電流與控制方法

　　變頻器是現代工業中廣泛應用的設備。由于用變頻器控制風機和水泵能夠顯著節省電能，因此應用日益廣泛。但是，變頻器工作時產生嚴重的諧波電流，這已經成為電網的主要污染源。
　　
　　變頻器諧波帶來的zui常見的故障現象是，無功補償裝置損壞，跳閘，變壓器過熱，同一個電網上的其他電子設備受干擾，等等。
　　
　　主要是低壓變頻器工作時產生嚴重的諧波電流，中高壓變頻器一般適用12脈或18脈整流電路，產生的諧波電流很小。
　　
　　低壓變頻器之所以產生諧波電流，是因為變頻器的輸入端是整流電路。整流電路是zui典型的諧波源。一般低壓變頻器的輸入端是三相六脈整流電路，變頻器的電流波形如圖1（a）所示，諧波電流的頻譜如圖1（b）所示，主要成份是：5、7、11、13、17、19等（6N1的規律）。總諧波電流畸變率THID與變頻器的品牌、變頻器的功率、電網系統的阻抗、變頻器的負載等因素有關。　　　　
　　變頻器的諧波電流發射與變頻器的品牌有關，主要是因為不同品牌的變頻器中所使用的濾波電路的不同，這包括，是否內嵌了直流電抗器或交流電抗器、濾波電容的容量大小等。
　　
　　通常，變頻器的額定功率越小，產生的諧波電流發射越嚴重，表1是不同功率的變頻器產生的諧波電流發射。需要注意的是，這里講的諧波電流發射嚴重是指諧波電流畸變率THID更大，并不是諧波電流的值更大。了解這個特點很重要，這意味著，大量的小功率變頻器同時工作時，他們產生的諧波電流要比同樣功率的一臺大功率變頻器產生的諧波更嚴重。例如，10臺11kW的變頻器工作時向電網注入的諧波電流要大于一臺110kW變頻器工作時向電網注入的諧波電流，盡管他們的總功率相同。
　　
　　表1不同功率的變頻器的諧波電流發射
　　
　　變頻器的功率THID
　　
　　1~20HP>
　　
　　25~40HP80~
　　
　　50~150HP60~80%
　　
　　200HP以上50~70%
　　
　　變頻器的諧波電流發射還與變頻器的負載有關，負載越輕，THID越大。這提示我們不要用功率余量過大的變頻器。例如，如果用22kW的變頻器驅動11kW電機的電機時，要比用11kW的變頻器驅動產生更大的諧波電流發射。請讀者思考其中的道理，這對于加深理解諧波電流產生的機理十分有益。
　　
　　同一臺變頻器所產生的諧波電流發射與電網的阻抗有關，電網的阻抗越低（電源越強，或者電源的短路電流越大），諧波電流畸變率THID越大，典型的數值如表2所示。表中，電網的阻抗用額定電流時的電壓降來表示，1%表示在額定電流下，電網上的電壓降為額定電壓的1%。但是，需要注意的是，電網的阻抗較高，變頻器的諧波電流較小，決不意味著諧波電流的危害更小。因為，當電網的阻抗較高時，會導致更大的諧波電壓。而諧波電壓是導致其他設備工作異常的主要原因。
　　　　
　　人們為了減小變頻器的諧波電流發射，通常在變頻器的電源輸入端安裝電抗器。這就是根據表2的原理。輸入電抗器的電感量也用電抗率表示，1%表示電抗器上的電壓降為額定電壓的1%。電抗率越大，電抗器減小諧波電流的效果越明顯。通常，電抗率不能大于5%，否則會影響變頻器的正常工作。
　　
　　通常，使用電抗器很難將諧波電流畸變率減小到30%以下。要獲得理想的諧波電流控制效果，要在變頻器的電源輸入端安裝的諧波濾波器。
　　
　　需要注意的是，傳統的陷波器型諧波濾波器不適用于變頻器的諧波電流控制。主要是因為，這種濾波器會發出過大的容性無功功率，并且會吸收上游諧波電流。解決變頻器諧波電流的設備是HTHF通用諧波濾波器，這種濾波器專門為變頻器類的負載開發，可以保證諧波電流畸變率THID<8%。有源濾波器雖然也有很好的濾波效果，但是其本身比變頻器還要復雜，不適合于為單臺變頻器配套使用。