变频器谐波产生机理

    变频器的主电路一般为交-直-交拓扑结构，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，矩形波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，输入电流的5次谐波可达20%，7次谐波可达12%，由于输入谐波较高将干扰供电系统。在逆变器输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GIR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2~ 3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。谐波的传播途径是传导和辐射，解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离；解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。    如前所述，由于通用变频器的整流部分采用二极管不可控桥式整流电路，中间滤波部分采用大电容作为滤波器，所以整流器的输入电流实际上是电容器的充电电流，呈较为陡峻的脉冲波，其谐波分量较大。为了消除谐波，可采用以下对策：    (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。这种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，则内阻抗值相对越大，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。所以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。    (2)安装电抗器。安装电抗器实际上是从外部增加变频器供电电源的内阻抗。可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，或同时安装，抑制谐波电流。    (3)变压器多相运行。通用变频器的整流部分是六脉波整流器，所以产生的谐波较大。如果应用变压器的多相运行，使相位角互差30°。如Y/△、△／△组合的两个变压器构成相当于12脉波的效果，则可减小低次谐波电流28%，可起到很好的谐波抑制作用。    (4)调节变频器的载波比。只要载波比足够大，较低次谐波就可以被有效地抑制，特别是参考波幅值与载波幅值小于1时，13次以下的奇数谐波便不再出现。    (5)专用滤波器。该专用滤波器用于检测变频器谐波电流的幅值和相位，并产生一个与谐波电流幅值相同且相位正好相反的电流，通到变频器中，从而可以非常有效地吸收谐波电流。    (6)多脉冲晶闸管整流电路。12脉冲晶闸管整流器由两组晶闸管整流桥串联而成，分别由输入变压器的两组二次侧（星形和三角形，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，带来的好处是大大降低了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脉冲整流结构总谐波电流失真约为10%左右。虽然12脉冲整流电路的谐波电流比6脉冲结构大大下降，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电路由三组晶闸管整流串联而成，变压器三组二次侧均为三角形，互差20°电角度。这个整流电路具有12脉冲结构的优点，但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，无需安装谐波滤波装置。    输出谐波对电动机的影响主要有：引起电动机附加发热，导致电动机的额外温升，电动机往往要降额使用；由于输出波形失真．增加电动机的重复峰值电压，影响电动机绝缘，谐波还会引起电动机转矩脉动，噪声增加。    电流源型变频器种类很多，主要有串联二极管式、输出滤波器换相式、负载换相式( LCI)和GTO - PWM式等。普通的电流源型变频器输出电流波形和输入电流波形极为相似，都是120°的方波，含有丰富的谐波成分，总谐波电流失真可达到30%左右。为了降低输出谐波，也有采用输出12脉冲方案或设置输出滤波器，输出谐波会有较大改善，但系统的成本和复杂性也会大大增加。输出滤波器换相式电流源型变频器固有的滤波器可以给6脉冲输出电流中的谐波分量提供通路，所以速度较高时，电动机电流波形有所改善。GTO - PWM电流源型变频器电动机电流质量的提高主要是通过GTO采用谐波消除的电流PWM开关模式来实现，但受到GTO开关频率上限的限制。    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，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。    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，但它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，可能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动势与基波旋转磁反向，7次谐波产生的旋转磁动势与基波旋转磁动势同向，而电动机转子的电气旋转速度基本接近基波磁动势的旋转速度（二者的判别对应于电动机的转差率），所以5次谐波磁动势和7次谐波磁动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。基波旋转磁动势和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次谐波大大降低，6倍频率脉动转矩大大减小，剩下主要为12倍频的脉动转矩，总的转矩脉动明显降低。    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，即du/dt。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。    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，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，以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。