變頻驅(qū)動(dòng)器諧波及其抑制方法
討論變頻驅(qū)動(dòng)器的好處往往會(huì)引出一個(gè)關(guān)于電諧波失真問題。在評(píng)估變頻驅(qū)動(dòng)器時(shí)，重要的是要了解諧波是如何提供的，以及諧波有害的情況。
諧波定義
我國三相交流電源的工作頻率通常為50赫茲（每秒50個(gè)周期）。這叫做基頻。
諧波是基頻整數(shù)倍的任何電流形式。例如，對(duì)于50赫茲電源，諧波頻率為100赫茲（2 x基波）、150赫茲、200赫茲、250赫茲等。
什么引起諧波？
只有當(dāng)線路電壓大于變頻器電源內(nèi)部的直流母線電壓時(shí)，變頻驅(qū)動(dòng)器才會(huì)從線路中吸取電流。這只發(fā)生在正弦波的峰值附近。因此，所有的電流都以較短的間隔（即，在較高的頻率）引出。變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的變化會(huì)影響產(chǎn)生的諧波。例如，配有直流環(huán)節(jié)電感的變頻驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的諧波水平與不帶直流環(huán)節(jié)電感的類似變頻驅(qū)動(dòng)器不同。與使用二極管或可控硅整流器（SCR）的變頻驅(qū)動(dòng)器相比，在整流器部分使用晶體管的前端有源變頻驅(qū)動(dòng)器的諧波水平要低得多。
電子照明鎮(zhèn)流器、不間斷電源、計(jì)算機(jī)、辦公設(shè)備、臭氧發(fā)生器和其他高強(qiáng)度照明也是諧波問題的根源。
顯然，生成波形的大小對(duì)生成波形的形狀有影響。如果基波形式（50赫茲）的幅度非常大（5000安培），并且諧波形式非常低（10安培），則合成波形式不會(huì)非常扭曲，總諧波失真也會(huì)很低。如果諧波電流值相對(duì)于基波較高，其影響將更加劇烈。
在自然界中，我們看到了波浪在水中的作用。如果你不斷地往海里扔棒球大小的石頭，你就不會(huì)期望改變海浪沖擊海灘的形狀。然而，如果你把同樣大小的石頭扔進(jìn)浴缸，你肯定會(huì)觀察到效果。它類似于電波和諧波失真。
當(dāng)你計(jì)算諧波時(shí)，你是在計(jì)算諧波對(duì)特定配電系統(tǒng)中基波電流波形的影響。有幾個(gè)程序可以執(zhí)行估計(jì)計(jì)算。所有這些都考慮到相對(duì)于非線性負(fù)載（僅在正弦波的一小部分時(shí)間內(nèi)牽引功率的負(fù)載）的線性負(fù)載量（通過整個(gè)正弦波牽引功率的負(fù)載）。線性荷載與非線性荷載之比越大，非線性荷載對(duì)波型的影響越小。
一些公用事業(yè)公司現(xiàn)在對(duì)在電網(wǎng)中引入諧波進(jìn)行處罰，為業(yè)主減少諧波提供激勵(lì)。此外，降低諧波水平可以防止同一系統(tǒng)中敏感設(shè)備的潛在問題。有許多方法可以減輕諧波。這里討論了幾種常用的方法。
1、線路電抗器
線路電抗器在電路中增加電抗和阻抗。電抗和阻抗的作用是降低系統(tǒng)中諧波的電流大小，從而降低TDD。線路反應(yīng)器還可以保護(hù)裝置不受大電流尖峰和短上升時(shí)間的影響。安裝在變頻驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間的線路電抗器將有助于保護(hù)電機(jī)免受電流尖峰的影響。在變頻電源和變頻驅(qū)動(dòng)器之間放置一個(gè)線路反應(yīng)器將有助于保護(hù)電源免受電流尖峰的影響。線路反應(yīng)器通常僅用于變頻驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間，當(dāng)獨(dú)立式變頻驅(qū)動(dòng)器安裝在距離電機(jī)50英尺以上時(shí)。這樣做是為了防止電機(jī)繞組在極快上升時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)電壓峰值。
2、無源濾波器
陷波濾波器是包括由電感器、電抗器和電容器組成的電路的裝置，其設(shè)計(jì)目的是提供以目標(biāo)頻率接地的低阻抗路徑。由于電流將通過最低阻抗路徑，這將阻止目標(biāo)頻率的諧波電流通過系統(tǒng)。濾波器可以安裝在變頻器電源面板內(nèi)或作為獨(dú)立裝置。陷阱過濾器通常被引用以滿足THD（i）值，如果系統(tǒng)已經(jīng)符合IEEE-519要求，則該值將導(dǎo)致符合IEEE-519要求。
3、有源濾波器
有些設(shè)備測量諧波電流，并迅速產(chǎn)生相反的電流諧波形式。然后，這兩種波形相互抵消，防止在濾波器上游觀察到諧波電流。這些類型的濾波器通常具有良好的諧波抑制特性。有源濾波器可以降低發(fā)電機(jī)的尺寸要求。
4、使用主動(dòng)前端技術(shù)（AFE）的變頻驅(qū)動(dòng)器
一些變頻驅(qū)動(dòng)器是用IGBT整流器制造的。IGBT獨(dú)特的特性使變頻驅(qū)動(dòng)能夠主動(dòng)控制電源輸入，從而降低諧波，提高功率因數(shù)，使變頻驅(qū)動(dòng)對(duì)電源側(cè)干擾的耐受性大大提高。AFE變頻驅(qū)動(dòng)器具有超低諧波，能夠滿足IEEE-519標(biāo)準(zhǔn)，無需任何外部濾波器或線路電抗器。這大大降低了安裝成本和發(fā)電機(jī)尺寸要求。AFE 變頻器電源提供了利用變頻驅(qū)動(dòng)和最小化諧波的最佳方法。
5、多脈沖變頻驅(qū)動(dòng)器
三相變頻驅(qū)動(dòng)器至少有六個(gè)整流器。不過，可能還有更多。基本上制造商提供12、18、24和30個(gè)脈沖變頻器電源。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的六脈沖變頻器電源有六個(gè)整流器，一個(gè)12脈沖變頻器電源有兩組六個(gè)整流器，一個(gè)18脈沖變頻器電源有三組六個(gè)整流器等等。如果連接到每臺(tái)整流器的電源發(fā)生相移，那么一臺(tái)整流器產(chǎn)生的某些諧波在極性上與另一臺(tái)整流器產(chǎn)生的諧波相反。這兩種波形有效地相互抵消。為了使用移相，必須使用具有多個(gè)二次繞組的特殊變壓器。例如，對(duì)于12脈沖變頻驅(qū)動(dòng)器，將使用一個(gè)三角形/三角形Y形變壓器，每個(gè)二次相位移動(dòng)30度。
諧波定義
我國三相交流電源的工作頻率通常為50赫茲（每秒50個(gè)周期）。這叫做基頻。
諧波是基頻整數(shù)倍的任何電流形式。例如，對(duì)于50赫茲電源，諧波頻率為100赫茲（2 x基波）、150赫茲、200赫茲、250赫茲等。
什么引起諧波？
只有當(dāng)線路電壓大于變頻器電源內(nèi)部的直流母線電壓時(shí)，變頻驅(qū)動(dòng)器才會(huì)從線路中吸取電流。這只發(fā)生在正弦波的峰值附近。因此，所有的電流都以較短的間隔（即，在較高的頻率）引出。變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的變化會(huì)影響產(chǎn)生的諧波。例如，配有直流環(huán)節(jié)電感的變頻驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的諧波水平與不帶直流環(huán)節(jié)電感的類似變頻驅(qū)動(dòng)器不同。與使用二極管或可控硅整流器（SCR）的變頻驅(qū)動(dòng)器相比，在整流器部分使用晶體管的前端有源變頻驅(qū)動(dòng)器的諧波水平要低得多。
電子照明鎮(zhèn)流器、不間斷電源、計(jì)算機(jī)、辦公設(shè)備、臭氧發(fā)生器和其他高強(qiáng)度照明也是諧波問題的根源。
顯然，生成波形的大小對(duì)生成波形的形狀有影響。如果基波形式（50赫茲）的幅度非常大（5000安培），并且諧波形式非常低（10安培），則合成波形式不會(huì)非常扭曲，總諧波失真也會(huì)很低。如果諧波電流值相對(duì)于基波較高，其影響將更加劇烈。
在自然界中，我們看到了波浪在水中的作用。如果你不斷地往海里扔棒球大小的石頭，你就不會(huì)期望改變海浪沖擊海灘的形狀。然而，如果你把同樣大小的石頭扔進(jìn)浴缸，你肯定會(huì)觀察到效果。它類似于電波和諧波失真。
當(dāng)你計(jì)算諧波時(shí)，你是在計(jì)算諧波對(duì)特定配電系統(tǒng)中基波電流波形的影響。有幾個(gè)程序可以執(zhí)行估計(jì)計(jì)算。所有這些都考慮到相對(duì)于非線性負(fù)載（僅在正弦波的一小部分時(shí)間內(nèi)牽引功率的負(fù)載）的線性負(fù)載量（通過整個(gè)正弦波牽引功率的負(fù)載）。線性荷載與非線性荷載之比越大，非線性荷載對(duì)波型的影響越小。
一些公用事業(yè)公司現(xiàn)在對(duì)在電網(wǎng)中引入諧波進(jìn)行處罰，為業(yè)主減少諧波提供激勵(lì)。此外，降低諧波水平可以防止同一系統(tǒng)中敏感設(shè)備的潛在問題。有許多方法可以減輕諧波。這里討論了幾種常用的方法。
1、線路電抗器
線路電抗器在電路中增加電抗和阻抗。電抗和阻抗的作用是降低系統(tǒng)中諧波的電流大小，從而降低TDD。線路反應(yīng)器還可以保護(hù)裝置不受大電流尖峰和短上升時(shí)間的影響。安裝在變頻驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間的線路電抗器將有助于保護(hù)電機(jī)免受電流尖峰的影響。在變頻電源和變頻驅(qū)動(dòng)器之間放置一個(gè)線路反應(yīng)器將有助于保護(hù)電源免受電流尖峰的影響。線路反應(yīng)器通常僅用于變頻驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間，當(dāng)獨(dú)立式變頻驅(qū)動(dòng)器安裝在距離電機(jī)50英尺以上時(shí)。這樣做是為了防止電機(jī)繞組在極快上升時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)電壓峰值。
2、無源濾波器
陷波濾波器是包括由電感器、電抗器和電容器組成的電路的裝置，其設(shè)計(jì)目的是提供以目標(biāo)頻率接地的低阻抗路徑。由于電流將通過最低阻抗路徑，這將阻止目標(biāo)頻率的諧波電流通過系統(tǒng)。濾波器可以安裝在變頻器電源面板內(nèi)或作為獨(dú)立裝置。陷阱過濾器通常被引用以滿足THD（i）值，如果系統(tǒng)已經(jīng)符合IEEE-519要求，則該值將導(dǎo)致符合IEEE-519要求。
3、有源濾波器
有些設(shè)備測量諧波電流，并迅速產(chǎn)生相反的電流諧波形式。然后，這兩種波形相互抵消，防止在濾波器上游觀察到諧波電流。這些類型的濾波器通常具有良好的諧波抑制特性。有源濾波器可以降低發(fā)電機(jī)的尺寸要求。
4、使用主動(dòng)前端技術(shù)（AFE）的變頻驅(qū)動(dòng)器
一些變頻驅(qū)動(dòng)器是用IGBT整流器制造的。IGBT獨(dú)特的特性使變頻驅(qū)動(dòng)能夠主動(dòng)控制電源輸入，從而降低諧波，提高功率因數(shù)，使變頻驅(qū)動(dòng)對(duì)電源側(cè)干擾的耐受性大大提高。AFE變頻驅(qū)動(dòng)器具有超低諧波，能夠滿足IEEE-519標(biāo)準(zhǔn)，無需任何外部濾波器或線路電抗器。這大大降低了安裝成本和發(fā)電機(jī)尺寸要求。AFE 變頻器電源提供了利用變頻驅(qū)動(dòng)和最小化諧波的最佳方法。
5、多脈沖變頻驅(qū)動(dòng)器
三相變頻驅(qū)動(dòng)器至少有六個(gè)整流器。不過，可能還有更多。基本上制造商提供12、18、24和30個(gè)脈沖變頻器電源。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的六脈沖變頻器電源有六個(gè)整流器，一個(gè)12脈沖變頻器電源有兩組六個(gè)整流器，一個(gè)18脈沖變頻器電源有三組六個(gè)整流器等等。如果連接到每臺(tái)整流器的電源發(fā)生相移，那么一臺(tái)整流器產(chǎn)生的某些諧波在極性上與另一臺(tái)整流器產(chǎn)生的諧波相反。這兩種波形有效地相互抵消。為了使用移相，必須使用具有多個(gè)二次繞組的特殊變壓器。例如，對(duì)于12脈沖變頻驅(qū)動(dòng)器，將使用一個(gè)三角形/三角形Y形變壓器，每個(gè)二次相位移動(dòng)30度。
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