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變頻器諧波污染及治理

變頻器諧波污染及治理:變頻調速在工業生產中具有十分重要的意義，但是由于變頻器在輸入回路中產生的高次諧波電流，對供電系統，負載及其他鄰近電氣設備產生干擾；尤其是在高精度儀表、微電子控制系統等應用中，諧波干擾問題尤為突出。本文從變頻器工程實際應用出發，從隔離、濾波和接地三個方面**闡述了抑制和消除干擾的方法，對提高變頻器等工業設備運行的可靠性和**性提供參考。
一、變頻器諧波產生機理
    凡是在電源側有整流回路的，都將因其非線性而產生高次諧波。變頻器的主電路一般為交－直－交組成，外部輸入380V/50HZ的工頻電源經晶閘管三相橋路整流成直流，經電容器濾波后逆變為頻率可變的交流電。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高次諧波，諧波次數通常為6N±1（N為自然常數）。如果電源側電抗充分小、換流重疊μ可以忽略，那么第K次高次諧波電流的有效值為基波電流的1/K。
二、高次諧波危害
    諧波問題由來已久，近年來這一問題因由于兩個因素的共同作用變得更加嚴重。這兩個因素是：工業界為提高生產效率和可靠性而廣泛使用變頻器等電力電子裝置，使得與晶閘管相關設備的使用迅猛增長，并伴隨著諧波源的同步增加和放大；電力用戶為改善功率因數而大量增加使用電容器組，并聯電容器以諧振的方式加重了諧波的危害。
    非線形負荷產生的諧波電流注入電網，使變壓器低壓側諧波電壓升高，低壓側負荷由于諧波干擾而影響正常工作，另一方面諧波電壓又通過供電變壓器傳遞到高壓側干擾其它用戶。
在三相回路中，三的整數倍次諧波電流是零序電流，零序電流在中性線中是相互疊加的。零序諧波電流主要是由三相四線制非線性設備產生的，使供電系統中的中性線電流很大。當中性線上有較大的諧波電流時，中性導線的阻抗在諧波下能產生大的中性線電壓降，此中性線電壓降以共模干擾形式干擾計算機和各種微電子系統的正常工作，使控制設備和精密儀器工作不可靠，故障率高。
高次諧波的危害具體表現在以下幾個方面。
變壓器
    諧波電流和諧波電壓將增加變壓器銅損和鐵損，結果使變壓器溫度上升，影響絕緣能力，造成容量裕度減小。諧波還能產生共振及噪聲。
感應電動機
    諧波同樣使電動機銅損和鐵損增加，溫度上升。同時諧波電流會改變電磁轉距，產生振動力矩，使電動機發生周期性轉速變動，影響輸出效率，并發出噪聲。
開關設備
    由于諧波電流使開關設備在起動瞬間產生很高的電流變化率，使暫態恢復峰值電壓增大，破壞絕緣，還會引起開關跳脫、引起誤動作。
保護電器電流中含有的諧波會產生額外轉距，改變電器動作特性，引起誤動作，甚至改變其操作特性，或燒毀線圈。
計量儀表
    計量儀表因為諧波會造成感應盤產生額外轉矩，引起誤差，降低精度，甚至燒毀線圈。
電力電子設備
    電力電子設備通常靠**電源零交叉原理或電壓波形的形態來控制和操作，若電壓有諧波成分時，零交叉移動、波形改變、以致造成許多誤動作。
計算機和一些其它電子設備，通常要求總諧波電壓畸變率(THD)小于5%，且個別諧波電壓畸變率低于3%，較高的畸變量可導致控制設備誤動作，進而造成生產或運行中斷，導致較大的經濟損失。
電力電纜
    高頻諧波電流會在導體中引起集膚效應，產生額外溫升增加銅耗。特別是零序的3次諧波電流在中性線中是相互疊加的，使供電系統中的中性線電流很大，有的中性線上的電流還會超過相電流，使中性線發熱，加速絕緣層老化，甚至引起火災。此外當中性線上有較大的諧波電流時，導線的阻抗能產生大的中性線電壓降，干擾各種微電子系統的正常工作。
電力電容器
    高次諧波由于頻率增大，電容器對高次諧波阻抗減小，因過電流而導致溫度升高過熱、甚至損壞電容器；電容器與系統中的感性負荷構成的并聯或串聯電路，還有可能發生諧波共振，放大諧波電流或電壓加重諧波的危害。經由電容器組電容和電網電感形成的并聯諧振回路，可被放大到10-15倍。

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