改造者：韓靈生 葛良松

變頻器應(yīng)用中的諧波及矩陣變頻器的對(duì)策

改造者：韓靈生 葛良松

變頻器在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但其形成的諧波對(duì)電網(wǎng)造成很大的危害。本文分析了變頻器諧波形成的原因、危害及傳統(tǒng)的治理方法，并著重分析了矩陣變頻器的原理及應(yīng)用。矩陣變頻器的應(yīng)用是解決變頻器諧波危害的根本辦法。

變頻器是一種可廣泛用于各行各業(yè)的通用感應(yīng)電機(jī)調(diào)速裝置， 變頻器調(diào)速有諸多優(yōu)點(diǎn)，如調(diào)速方便，節(jié)能，易于控制等，所以應(yīng)用非常廣泛。但由于傳統(tǒng)的變頻器主要為交-直-交型電壓型，需不斷地通過直流環(huán)節(jié)充放電，然后由直流逆變?yōu)榭勺兊慕涣麟娫矗詫?duì)于供電網(wǎng)絡(luò)，變頻器是一個(gè)非線性負(fù)載。交流供電電網(wǎng)的電源電壓給變頻器供電，標(biāo)準(zhǔn)50Hz基波電流會(huì)發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波電流。其輸入輸出電壓和電流中除了基波以外，還有一定的高次諧波，而這些高次諧波的存在對(duì)變頻器周邊的設(shè)備會(huì)有不同程度的影響。同時(shí)還會(huì)通過輸入電源線對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生影響。因此，以變頻器應(yīng)用帶來的諧波危害，一直是工業(yè)客戶和供電部門需解決的問題。下面就傳統(tǒng)變頻器應(yīng)用的諧波產(chǎn)生，危害和治理方法進(jìn)行分析，并就新型矩陣變頻器的原理應(yīng)用做系統(tǒng)介紹。

變頻器諧波產(chǎn)生的過程

通用變頻器的高次諧波發(fā)生原理通用變頻器的電源所供給的交流電流經(jīng)橋式整流器整流后，用電容穩(wěn)壓成平滑的直流電供給逆變器部。為了給該平滑電容充電，交流輸入電流就會(huì)成為含高次諧波的失真波形。

電力公司供給的商用電源的頻率（50Hz）稱為基本波頻率（以下簡稱基波），此基波的整數(shù)倍（n）的頻率成分稱為n次高次諧波?；ㄉ席B加了高次諧波的波形會(huì)發(fā)生畸變。對(duì)于三相整流負(fù)載，變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。包括整流回路的電器回路中，使用電抗、電容平滑回路時(shí)，產(chǎn)生較多的高次諧波，輸入電流波形發(fā)生畸變（如圖1所示）。

變頻器諧波產(chǎn)生的問題

變頻器產(chǎn)生的高次諧波對(duì)周邊設(shè)備會(huì)帶來的以下不良影響。

變頻器諧波會(huì)引起電網(wǎng)電源波形畸變，會(huì)對(duì)同一電網(wǎng)內(nèi)的其他設(shè)備元件產(chǎn)生諧波損耗，降低了其他用電設(shè)備的使用壽命和效率。

變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過電線傳導(dǎo)，會(huì)對(duì)其他控制設(shè)備和開關(guān)電器產(chǎn)生不良影響，使這些設(shè)備出現(xiàn)誤動(dòng)作。流入設(shè)備的高次諧波電流會(huì)造成異常聲響、振動(dòng)、燒壞等事故。

變頻器諧波諧波會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生損耗，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪音、過電流和過熱，使電機(jī)效率降低和減少使用壽命。

變頻器諧波會(huì)產(chǎn)生電波噪聲，對(duì)變頻器周圍的通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，對(duì)AM收音機(jī)產(chǎn)生干擾電壓，使通訊系統(tǒng)無法正常工作。

變頻器諧波還會(huì)產(chǎn)生輻射干擾，對(duì)位置編碼器等測(cè)量和計(jì)量儀器的等產(chǎn)生不良影響。

傳統(tǒng)變頻器諧波的治理對(duì)策

圖1 基波和高次諧波

由于傳統(tǒng)變頻器的電壓和電流的波形畸變產(chǎn)生的諧波問題，傳統(tǒng)的可采取屏蔽、隔離、接地及濾波等技術(shù)手段。

將變頻器的供電電源和與其它設(shè)備的供電電源獨(dú)立分開?？稍谧冾l器的輸入側(cè)安裝隔離變壓器，與其他設(shè)備隔離開。

加裝交流電抗器和直流電抗器：通過加裝電抗器，可以減少脈沖電流波形的峰值，增加電流的平滑度，達(dá)到改善電流波形的目的，有效抑制高次諧波。

加裝無源或有源濾波器：濾波器由L、C、R元件構(gòu)成對(duì)高次諧波的共振電路，從而達(dá)到吸收高次諧波的作用。

變頻器整流電路的PWM控制，多個(gè)逆變單元并聯(lián)，通過波形移位疊加，抵消諧波分量；在傳統(tǒng)的6脈沖整流的基礎(chǔ)上，整流單元并聯(lián)，采用12脈沖、18脈沖、24脈沖整流，以降低諧波成分。

圖3 矩陣變頻器結(jié)構(gòu)圖

矩陣變頻器的應(yīng)用

傳統(tǒng)變頻器諧波的治理只能是被動(dòng)治理，而如果變頻器本身能夠具有無諧波或諧波很小，則就能根本解決或大部分治理變頻器諧波的危害。而矩陣變頻器就具有下述優(yōu)點(diǎn)。

矩陣變頻器的原理

矩陣式變頻器（見圖2）是以PWM控制，將交流電源直接轉(zhuǎn)換為任意電壓頻率，AC-AC 直接變換的功率變換回路。三相交流電源通過LC回路的輸入濾波器，與雙方向 9個(gè)開關(guān)連接，與輸出連接，直接輸出任意電壓及頻率的AC/AC轉(zhuǎn)換裝置。與以往的通用變頻器不同的是中間沒有使用晶體管和電容的直流回路，簡單而高效率。無電容充放電而引起的高次諧波電流。電流畸變可降低到5％左右。另外，由于可以使電流往雙方向流動(dòng)，因此，減速時(shí)等電機(jī)上9個(gè)雙方向開關(guān)所產(chǎn)生的制動(dòng)（再生）電力可以反饋至電源側(cè)，并可在其他機(jī)械上再利用。

矩陣變頻器使用了9個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，按照PWM算法控制開關(guān)順序，并直接連接到三相電機(jī)上。每一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)由2個(gè)IGBT組成雙向開關(guān)組成，能允許正向電壓和負(fù)向電壓通到電機(jī)上。矩陣變頻器使用三相電網(wǎng)電壓輸入來控制輸出電壓，這樣能吸收任何電流雜波，同時(shí)提供了正弦的輸出電壓波形，能大幅降低輸入電流的諧波的產(chǎn)生，矩陣變頻器高次諧波只是傳統(tǒng)的交-直-交變頻器的10％以下。

從圖3可知，矩陣變頻器主回路無平滑電容，不會(huì)造成供電電壓和電流波形畸變，其輸入電流和輸出電壓均為正弦波形，與傳統(tǒng)的交交變頻器和交直交變頻器相比，具有顯著特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，可以將再生能量直接回饋電網(wǎng)，無須外部加裝諧波濾波裝置，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，控制自由度大。所以具有更廣闊的應(yīng)用前景。

矩陣變頻器的應(yīng)用

由于矩陣變頻器省去了中間直流環(huán)節(jié)，無須平滑電容。能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1，且能能量回饋，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)變頻器本身基本無高次諧波。矩陣變頻器是一種具有優(yōu)良控制性能和發(fā)展前途的新型變頻電源。但過去十幾年，由于關(guān)鍵控制理論的技術(shù)實(shí)現(xiàn)問題，電力電子元器件功能問題和主要元器件的價(jià)格問題，市場(chǎng)上基本沒有市場(chǎng)化的產(chǎn)品。

2015年，日本安川公司已將矩陣變頻器產(chǎn)品化。安川U1000系列變頻器就是矩陣變頻器，其能實(shí)現(xiàn)輸入電流是正弦波，輸入電源高次諧波符合IEEE519（輸入THD＜5％），輸入功率因數(shù)為1。與通用變頻器因?yàn)橹骰芈冯娙莩浞烹姸鸬妮斎腚娏鞯幕儯ǜ叽沃C波電流）不同，U1000可輕松對(duì)應(yīng)高次諧波準(zhǔn)則。其U1000系列矩陣變頻器已開始應(yīng)用到起重、電梯、扶梯等其他需要連續(xù)電動(dòng)又連續(xù)制動(dòng)的場(chǎng)合。矩陣變頻器最適合應(yīng)用到需要那些有要求無干擾，低諧波的應(yīng)用場(chǎng)合，如在醫(yī)療設(shè)備，電信通訊，銀行數(shù)據(jù)中心機(jī)房等。

結(jié)語

綜上所述，分析了傳統(tǒng)變頻器諧波產(chǎn)生的原因和對(duì)周邊系統(tǒng)的危害，在具體治理上可采用屏蔽、隔離、接地及濾波等方法。但矩陣變頻器的使用將變頻器諧波控制在最小范圍內(nèi)，相信隨著矩陣變頻器的產(chǎn)品化，合理的成本會(huì)促進(jìn)矩陣變頻器的普遍使用，這樣才能根本上解決變頻器諧波問題，最終達(dá)到科學(xué)合理用電，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質(zhì)量。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.23.018