变频器针对谐波干扰应采取哪些抑制对策？

    答：采取的抑制对策如下：    (1)增加变频器供电电源内阻抗。通常情况下，电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用，电源的内阻抗就是变压器的短路阻抗。当电源容量相对变频器容量越小时，则内阻抗值相对越大，谐波含量越小；电源容量相对变频器容量越大时，则内阻抗值相对越小，谐波含量越大。对于三菱FR-F540系列变频器，当电源内阻为4%时，可以起到很好的谐波抑制作用。因此，选择变频器供电电源变压器时，最好选择短路阻抗大的变压器。    由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其他负载，引起谐波电流在其上流过。因此，减少谐波危害的措施也可从加大电缆截面积，减少回路的阻抗方式来实现。目前，国内较多采用提高变压器容量，增大电缆截面积，特别是加大中性线电缆截面以及选用开断容量较大的断路器、熔断器等保护元件，但此种方式不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，且加大了投资，增加了供电系统的隐患。在变频调速系统电源设计中，可将变频器供电电源于与非线性负载从同一电源接口点(PCC)开始分路供电，这样可以使由非线性负载产生的畸变电压不会传导到线性负载上去，这是目前治理谐波问题比较理想的解决方案。   (2)安装电抗器：安装电抗器实际上从外部增加变频器供电电源的内阻抗，在变频器的交流侧安装交流电抗器或在变频器的直流侧安装直流电抗器并在变频器输出侧安装电抗器，可以有效地抑制谐波电流。    ·输入电抗器：在电源与变频器输入侧之间串联交流电抗器（见图5-4），可使电源阻抗    增大而有效抑制高次谐波电流，减少电源浪涌对变频器的冲击，改善三相电源的不平    衡性，提高输入电源的功率因数（提高到0.75～0.85），进线电流的波形畸变大约降    低30%～50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。    ·在直流环节串联直流电抗器。直流电抗器串联在直流中间环节母线中（端子+，一之间），    主要是减小输入电流的高次谐波成分，提高输入电源的功率因数（提高到0.95）。此    电抗器可与交流电抗器同时使用，变频器功率> 30kW时才考虑配置。    ·输出电抗器（电动机电抗器）。由于电动机与变频器之间的电缆存在分布电容，尤其是    在电缆距离较长，且电缆较粗时，变频器经逆变输出的调制方波会在电路上产生一定    的过电压，使电动机无法正常工作，可以通过在变频器和电动机间连接输出电抗器来    进行限制，如图5-5所示。
    图5-4    串联交流电抗器
    图5-5    串联输出电抗器    采用在变频器到电动机之间增加交流电抗器的主要目的是减少变频器的输出在能量传输过程中线路产生的电磁辐射。该电抗器必须安装在距离变频器最近的地方，尽量缩短与变频器的引线距离。如果使用铠装电缆作为变频器与电动机的连线时，可不使用输出电抗器。但要做到电缆的铠装层在变频器和电动机端可靠接地，而且接地的铠装侧要原样不动接地，不能扭成绳，不能用其他导线延长，变频器侧要接在变频器的地线端子上，并将变频器可靠接地。    (3)滤波器：当系统对抗干扰能力要求较高时，为减少对电源的干扰，在电源输入端可加装电源滤波器。传统的方式多选用无源滤波器，无源滤波器出现最早，因其结构简单、投资少、运行可靠性较高以及运行费用较低，至今仍是谐波抑制的主要手段。LC滤波器由滤波电容器、电抗器和电阻器组合而成，与谐波源并联，除具有滤波作用外，还有无功补偿的作用。无源滤波器不能受控，因此随着时间的推移，配件老化或电网负载的变动，会使谐振频率发生改变，滤波效果下降。更重要的是无源滤波器只能过滤一种谐波成分（如有的滤波器只能滤除三次谐波），如果过滤不同的谐波频率，则要分别用不同的滤波器，增加设备投资。    使用无源滤波器主要是改变在特殊频率下电源的阻抗，适用于稳定、不改变的系统。采用的无源滤波器电路如图5-6所示，满载时进线中的THDv可降至5% N10%，满足EN61000-3-12和IEEE519-1992的要求，技术成熟，价格适中，适用于所有负载下的THDv<30%的情况，缺点是轻载时功率因数会降低。    将无源滤波器安装在变频器的交流侧，无源滤波器由L、C、R元件构成谐波共振回路，当LC回路的谐波频率和某一次高次谐波电流频率相同时，即可阻止高次谐波流入电网。无源滤波器的特点是投资少、频率高、结构简单、运行可靠及维护方便。无源滤波器的缺点是滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波有放大的可能、体积大。
    图5-6    使用专用无源滤波器    除传统的无源滤波器（LC滤波器）目前还在应用外，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器。它串联或并联于主电路中，实时补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。    国内外有多种有源滤波器，这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。有源电力滤波器( APF)理论在20世纪60年代形成，后来随着大中功率全控型半导体器件的成熟、脉冲宽度调制(PWM)控制技术的进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，有源电力滤波器得以迅速发展。其核心部分是谐波电流发生器与控制系统，即其工作靠数字信号处理(DSP)技术控制快速绝缘双极晶体管(1GBT)来完成。    在变频器输入、输出电路中，采用滤波器可以抑制变频器产生的电磁干扰噪声的传导，也可抑制外界辐射干扰以及瞬时冲击、浪涌对变频器的干扰。根据使用位置的不同可以分为输入滤波器和输出滤波器，而输入滤波器有线路滤波器和辐射滤波器两种：    ①线路滤波器串联在变频器输入侧，由电感线圈组成，通过增大电路的阻抗减小频率较高的谐波电流。在使用外控端子控制变频器时，如果控制回路电缆较长，外部环境的干扰有可能从控制回路电缆侵入，造成变频器误动作，此时将线路滤波器串联在控制回路电缆上，可以消除干扰。    ②辐射滤波器并联在电源与变频器输入侧，由高频电容器组成，可以吸收频率较高具有辐射能量的谐波成分，用于降低辐射噪声。线路滤波器和辐射滤波器同时使用效果更好。    输出滤波器串联在变频器输出侧，由电感线圈组成，可以减小输出电流中的高次谐波成分，抑制变频器输出侧的浪涌电压，同时可以减小电动机由高频谐波电流引起的附加转矩。输出滤波器从结构上分为LR滤波器单元和LC滤波器单元两种类型，输出滤波器到变频器和电动机的接线尽量缩短，滤波器也应尽量靠近变频器，如图5-7所示。
    图5-7      LR滤波器单元LC滤波器单元    (4)多脉冲晶闸管整流电路，通用变频器为六脉波整流器，因此产生的谐波较大。如果采用变压器多相运行，使相位角互差30°，如Y-△、△-△组合的变压器构成12脉波整流，12脉冲晶闸管整流电路由两组晶闸管整流桥串联而成，分别由输入变压器的两组副边（星型和三角形，互差30°电角度）供电。这种整流电路的优点是把整流电路的脉冲数由6脉冲提高到12脉冲，带来的好处是大幅降低了5次和7次谐波电流。因为对晶闸管整流电路而言，谐波电流近似为基波电流的1/h倍，h为谐波次数，h=n×p±1，其中n是自然数，p为脉冲数。12相脉冲整流THDv大约为10%～15%，虽然12脉冲整流电路的谐波电流比6脉冲结构大幅下降，但也不能达到IEEE519-1992标准规定的在电网短路电流小于20倍负载电流时谐波电流失真小于5%的要求。    18脉冲晶闸管整流电路由三组晶闸管整流桥串联而成，变压器三组副边均为三角形，互差200电角度。这个整流电路具有12脉冲结构的优点，其总谐波电流失真小于5.6%，总谐波电压失真小于2%，基本符合IEEE519-1992标准规定，无须安装谐波滤波装置。缺点是需要专用变压器和整流器，不利于设备改造，价格较高。    普通电流源型变频器的输出电流不是正弦波，而是120°的方波，因而三相合成磁动势不是恒速旋转的，而是步进磁动势，它和基本恒速旋转的转子磁动势产生的电磁转矩除了平均转矩以外，还有脉动的分量。转矩脉动的平均值为0，会使转子的转速不均匀，产生脉动，在电动机低速时，还会发生步进现象。在适当的条件下，也可能会引起电动机与负载组成的机械系统的共振。脉动转矩主要是由基波旋转磁通和转子谐波电流相互作用产生的。在三相电动机中，产生脉动转矩的主要是6n±1次谐波。6脉冲输出电流源型变频器输出电流中含有丰富的5次和7次谐波，5次谐波产生的旋转磁势与基波旋转磁势反向，7次谐波产生的旋转磁势与基波旋转磁势同向，而电动机转子的电气旋转速度基本接近基波磁势的旋转速度（二者的判别对应于电动机的转差率），所以5次谐波磁势和7次谐波磁势都会在电动机转子中感应产生6倍于基波频率的转子谐波电流。基波旋转磁势和6倍频的转子谐波电流共同作用，产生6倍频的脉动转矩，所以6脉冲输出电流源型变频器含有较大的6倍频脉动转矩。同样，11次和13次谐波电流也会产生一个12倍频的脉动转矩。    电流源型变频器采用12脉冲多重化后，输出电流波形更接近正弦波。由于5次和7次谐波大幅降低，6倍频率脉动转矩大幅减小，剩下主要为12倍频的脉动转矩，总的转矩脉动明显降低。    (5)变频器拓扑和控制方式的优化。普通的二电平和三电平PWM电压源型变频器由于输出电压跳变台阶较大，相电压的跳变分别达到直流母线电压和直流母线电压的一半，同时由于逆变器功率器件开关速度较快，会产生较大的电压变化率，较大的du/dt会影响电动机的绝缘，尤其当变频器输出与电动机之间电缆距离较长时，由于线路分布电感和分布电容的存在，会产生行波反射作用，du/dt会放大，在电动机端子处可增加一倍以上，对电动机绝缘引起损坏。所以，这种变频器一般需要特殊设计的电动机，电动机绝缘必须加强。如果要使用普通电动机，必须附加输出滤波器。    在PWM电压源型变频器中，当输出电压较高时，通常采取三电平PWM方式，也称NPC(Netural Point Clamped)中点（钳位）方式，整流电路一般采用二极管，逆变部分功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。与普通的二电平PWM变频器相比，由于输出相电压电平数增加到3个，因此每个电平幅值相对下降，且提高了输出电压谐波消除算法的自由度，可使输出波形质量比二电平PWM变频器有较大的提高。为了减少输出谐波，希望有较高的开关频率，但这样会导致变频器损耗增加，效率下降，开关频率一般不超过2kHz。如果不加输出滤波器，三电平变频器输出电流总谐波失真可以达到17%左右，不能使用普通的异步电动机。    由于变频器输出谐波会引起电动机附加温升，电动机容量必须适当放大，热参数降低使用。谐波使电动机振动，噪声增加，电动机应采取低噪声设计并避免可能产生的振动，临界转速必须避开整个工作转速范围。转矩脉动产生的应力集中可能对电动机部件引起损坏，因此电动机关键部位必须加强。定、转子槽形应不同于标准电动机，可减少谐波引起的铜耗。采取绝缘轴承，在必要时轴上安装接地碳刷以避免轴电流对轴承的损坏。由于普通变频器输出波形中含有高次谐波成分，因集肤效应而使线路等效电阻增加。同时，在逆变器输出低频时，输出电压跟着降低，线路压降占输出电压的比例增加，因此输出电缆的截面积应当比普通接线时放大一级。    单一的控制方式有着各自的缺点，如果将这些单一控制方式结合起来，可以取长补短，从而达到降低谐波提高效率的功效。大容量的变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术。几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用PWM逆变器，可构成四象限交流调速用变频器。这种变频器不但输出电压、电流为正弦波，输入电流也为正弦波，且功率因数为1，还可以实现能量的双向传递，代表了这一技术的发展方向。变频器中应用的低谐波技术可归纳如下：    ·逆变单元的并联多重化，采用2个或多个逆变单元并联，通过波形叠加抵消谐波分量。    ·整流电路的多重化，在PWM变频器中采用12脉冲、18脉冲或者24脉冲的整流，以    减少谐波。    ·逆变单元的串联多重化，采用30脉冲的串联逆变单元多重化线路，其谐波可减少到很小。    ·采用新的变频调制方法，如电压矢量的菱形调制等。目前，许多变频器制造厂商已非    常重视谐波问题，在设计时已从技术手段上保证了变频器的绿色化，从而在根本上解    决谐波问题。