简论变频器广泛应用对电力系统的影响

　1 引言

　　变频器主要用于交流电动机转速的调节，是理想的调速方案，随着中国经济的整体快速发展，市场对产品的要求逐步提高，变频调速以其自身所具有的调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中发挥着提高产品质量和生产效率的作用。其除了具有优良的调速性能之外，还有显着的节能效果，不仅在相关工业行业，变频家电在节约电费、提高家电性能、保护环境等方面的优势也得到了用户的普遍认可和广泛应用。

　　然而变频器在节能、改善人类生活环境、提高产品质量以及提高工业自动化程度方面做出巨大贡献的同时也将产生一些负面效应。

　　2 变频器产生谐波

　　变频器根据有无中间直流环节来分，可以分为交交变频器和交直交变频器，在交直交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分为电压源型和电流源型。交交变频器结构简图如图1所示，其只能降低频率，同时输出电压波形中含有较大的谐波，输入电流谐波严重且功率因数低，在很多应用领域，这些都是不能接受的技术缺陷，往往采用具有中间直流环节的交直交变频器。

　　交直交变频器结构简图如图2所示，由于交直交变频器中含有整流电路，可控硅元件的导通与关断同样会因其非线性产生谐波，从设备流出的谐波因变流器回路的种类及其运转状态、系统条件等不同产生不同的影响。

　　2.1 谐波的产生

　　变频器输入部分电压主波形为正弦波，但电流波形为非正弦波，这是由整流环节及其开关元件的参数离散所引起的。目前，变频器大部分采用三相桥式整流电路，输入电流的波形为三相对称的矩形波，经傅立叶级数分解为基波和6n+1次特征谐波（n=l，2，3，），但实际上由于存在换相重叠角、触发脉冲不平衡等不定因素，使得少量的非特征谐波同时存在。谐波含有率随变频器输出电压升高而减小，而基本不受其输出频率和电流的影响。具体输入侧电流各次谐波的实测值见图3，可见主要是5次、7次、11次、13次等特征谐波，同时含有少量的非特征谐波。

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图4 电压性逆变器的输出电压

　　变频器逆变环节往往采用正弦脉宽调制法（SPWM）法，其输出部分线电压是正弦脉宽、幅值相等的窄矩形波，其三相的相电压是阶梯波，如图4所示，其非线性是由SPWM脉宽调制的性质所定的；电流波形和载波频率比有关，载波频率比越高，越接近正弦波，波形中会含有和载波频率相关的高次谐波，高次谐波电流对负载直接干扰，还会通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。

　　随着变频器在各行各业的应用面扩大，单机容量的加大和使用变频器的总容量的增大，因此谐波污染电源及对周围其他设备的影响就日益严重，甚至造成其他电子设备不能正常工作。特别是供电线路上通常连接电力电容器，很容易产生并联谐振，使整流器和其它电器设备因过电流绝缘损坏或烧坏。这样的事故近几年的发生率呈上升趋势。

　　2.2 变频器周围电气设备受谐波的影响

　　连接变频器的电源系统往往有并联有电力电容器、发电机、变压器、电动机等负载，变频器产生的高次谐波电流按着各自的阻抗分配到电源系统和并联负载。下面叙述高次谐波电流对各电器设备的影响。

　　（1） 电力电容器

　　根据IEC标准规定一般电容器最大电流只允许35％的超载。实际运转时由于谐波的影响常发生严重过载。电容器阻抗随频率的增加而减少，故产生谐波时，电容器即成为一陷流点流人大量电流，导致过热、增加介电质的应力，甚至损坏电力电容器。当电容器与线路阻抗达到共振条件时，会发生振动短路、过电流及产生噪声。

　　（2） 同步发电机

　　变频器产生的高次谐波电流在同步发电机的激磁绕组中会产生感应电流，引起损耗增加，可能导致电机过热、绝缘降低、寿命缩短等。

　　（3） 变压器

　　电流谐波将增加变压器铜损，电压谐波将增加铁损，综合效果是使变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减小。谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间共振，及引起铁心磁通饱和而产生噪声。

　　（4） 电动机

　　谐波会引起电动机附加发热，导致电动机额外温升，电动机往往要降额使用。如果输入电动机的波形失真，会增加其重复峰值电压，影响电动机的绝缘。

　　（5） 电力电子设备

　　电力电子设备在多种场合是产生谐波的谐波源，但他自身也很容易感受谐波失真而误动作。这种设备靠着电压的过零点或电压波形来控制或操作，若电压有谐波成分时，零点移动、波形改变，造成许多误动作。

　　（6） 保护继电器

　　由于高次谐波的影响，可能引起继电器过电压、产生绝缘损坏、振动引起的机械破坏等等。对于以有效值为基准而动作的继电器，高次谐波的存在使得继电器在接近额定值处也有误动作的可能。

　　（7） 指示电气仪表

　　电能表等计量仪表会因谐波而造成感应转盘产生额外的电磁转矩，引起误差，降低精确度。20％的5次谐波将产生10％-15％的误差。过大的谐波电流，也很容易使仪器里的线圈损坏。

　　2.3 变频器谐波抑制措施

　　对小容量的通用变频器，高次谐波很少成为问题，但当使用的变频器容量大或数量多时，往往就会产生高次谐波电流和高次谐波干扰问题，因此对于高次谐波先采取适当的对策和预防措施是非常重要的。

　　2.3.1 改善变频器结构

　　可以从变频器自身硬件结构或者整个变频系统的构建方式和设备选择等方面考虑，从根本上减少变频系统注入电网的谐波、无功等污染。

　　（1） 变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立，或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器；

　　（2） 在整流环节采用多重化技术，提高脉波数，可以有效地提高特征谐波次数，降低特征谐波幅值。对于大容量晶闸管变频器可以采取这种方法，利用多重化抑制流向电源侧的高次谐波；

　　（3） 采用高频整流电路，改善整流波形，提高功率因数，直流电压可调节；

　　（4） 逆变环节采用高开关频率高的电力电子器件，如MOSFET，IGBT等，可以提高载波频率比，抑制变频器输出端的高频谐波。

　　（5） 在逆变环节采用多重化技术，提高脉波数，使输出的电流电压波形更加接近正弦波。但重数越多电路越复杂，可靠性会随之降低，三重化电路可以兼顾输出波形质量和设备可靠性，较理想。

　　2.3.2 采用合适的控制策略

　　从变频器控制器这一点出发，可采用更合适的控制策略或者在原来的控制策略基础上作点优化和改进，原理上更大限度地减少谐波的产生。以实际应用中常用的正弦脉宽调制法（SPWM）法和特定消谐法（SHE）法为例。

　　根据SPWM基本理论，当调制波频率为fr，载波频率为fc，载波频率比N=fc/fr，单极性SPWM控制在输出电压中产生N-3次以上的谐波，双极性SPWM控制在输出电压中产生N-2次以上的谐波。比如，N=25，采用单极性SPWM控制，低于22次的谐波全被消除，采用双极性SPWM控制，低于23次的谐波全被消除。

　　但输出电压频率较高的时候，由于受到元件开关频率的限制，N值不可能大，SPWM控制的优势就不太明显了，这个时候选择SHE法可以在开关次数相等的情况下输出质量较高的电压、电流，降低了对输入、输出滤波器的要求。

　　2.3.3 采取滤波电路

　　在变频器外部采取措施，综合考虑变频器注入电网的特征谐波以及个别变频器的特有非特征谐波特性，制订滤波方案对污染源进行治理。也即通常说的先污染，后治理。只用滤波器效果并不理想，与上述二类方法配合作用更见效。

　　（1） 若变频器输入侧没有装设专用变压器，可在输入侧接入交流电抗器（ACL）使整流阻抗增大，抑制高次谐波电流。

　　（2） 在变频器和电网系统间的电力回路中使用交流滤波器。交流滤波器有调谐滤波器和二次型滤波器，调谐滤波器用于单次谐波的吸收，而二次型滤波器则适用于多个高次谐波的吸收，一般两者组合使用，消除某个单次谐波同时滤除某次及以上的谐波。

　　（3） 在变频器输出端加LC滤波器可以滤除变频器输出的高次谐波，且可以延长PWM的上升沿，减小dV／dt，从而抑制变频输出过电压。如果采用LC滤波器接外壳，还可以滤除变频器输出的零序分量，避免零序电压经定子绕组与定、转子边的寄生电容产生的电流对电机等设备造成损失。[!--empirenews.page--]

　　5 变频器输入电流不对称

　　5.1 输入电流不对称及其影响

　　工业应用中的交直交电压型变频器往往采用三相桥式结构，低载运行时交流电源输入侧输入电流不对称会引起三相功率因数不平衡现象。这主要是由于中间直流环节不是无穷大容量，在实际运行中存在充放电过程，变频器满载运行时，输入输出电流接近额定值，充放电电流影响不大，但是变频器在启动后未达到额定功率前或者在低载的状态稳定运行的情况下，由于输入输出电流也非常的小，充放电电流的影响就不能忽略。下面以图5所示交直交变频器为例，对低载工况下，充放电电流引起的输入电流不对称现象产生原理进行简单分析。

图5 交直交电压型变频器拓扑结构

　　输入三相对称电压Ua、Ub、Uc，频率为0，一般来说输入为工频电压，0=50Hz。直流环节电压Uc波形如图6所示，为一系列纹波。则直流侧电容相应的充放电电流iD 波形如图7所示，其频率为3 ?0，变频器逆变环节的输入电流i2主要由变频器负载特性决定，对纯阻性负载而言，i2应该是一系列正弦半波，如图8所示。由图5可见变频器整流环节输出电流i1应是i2和iD的矢量叠加，叠加后的波形如图9所示。根据三相全控桥式6脉波整流原理可以推得变频器输入侧三相电流如图10、11、12所示，显然三相波形严重不对称，A相电流的有效值较B、C两相都大。

　　则在一定的有功输入情况下，由于输入电压三相对称，计算得到A相的视在功率比B、C两相大，因此A相的无功功率较大，功率因数较低，三相功率因数出现不平衡。本文分析是A相表现得功率因数偏低，实际变频设备运行时，根据其输出频率以及整流、逆变环节控制方式的不同，功率因数偏低现象有可能出现在B相或者C相。[!--empirenews.page--]

　　5.2 实际测试结果

　　为验证变频器输入电流不对称引起的功率因数不平衡现象，以杭州市某自来水厂使用的变频器为例，于2005年11月14日采用TOPAS1000电能质量测试仪对变频器输入侧进行了测试。该变频器输入工频380（V）3相交流电，送出5～9kHz的二次交流电，二次电压为540（V）左右，测试期间逐步梯次增加变频器输入有功功率，逐次记录不同有功功率水平下的输入电压、电流、视在功率以及功率因素。

　　输入功率为33kW时，在变频器输入端测量得到电流波形如图13所示，可见B相电流较Ａ、Ｃ两相差别很大，随着输入功率的增加，Ｂ相电流和A、C两相的电流波形越来越接近，图14和图15分别是输入功率为54kW和85kW时输入侧电流波形。不同功率水平下测得的输入电压、电流、视在功率和功率因数的对比如表1所示。显然，输入功率为33kW时，三相的功率因数显着不平衡，B相的功率因数明显偏低，输入功率为54kW，B相功率因数有了很大改善，输入功率增加到85kW，B相功率因数和A、C两相已然差别不大。

图15 变频器工作功率为85kW时输入侧电流波形

　　5.3 改善变频器输入电流不对称措施

　　从目前的研究看来，输入电流不对称现象存在的时间段往往不长，且只在部分拓扑类型的变频器中体现，从5.1中的分析来看，整流电路简单的控制方式以及直流侧电容容量的限制是造成输入电流不对称的主要因素，因此本文就改善输入电流不对称现象，提出以下几条建议：

　　（1） 变频器尽量在额定的功率下运行，使得直流环节的充放电电流影响变得相对微弱；

　　（2） 直流环节的电容器容量不宜选择的太小，保证一定的容量以降低充放电电流的波动幅值，改善整流环节输出电流的畸变程度，可以较好的改善变频器输入电流的不对称程度；

　　（3） 变频器整流环节可以采用更优化的整流变换电路，比如高频整流电路，可以改善整流输入波形，提高功率因数，且功率可双向流动，直流侧电压调节特性好；

　　（4） 可以对整流环节采取多重化技术，提高整流电路的脉波数，降低整流环节输出电压的波动性，减少直流环节电容器的充放电电流值。

　　另外，还可以综合整流、逆变环节考虑，合理确定整流和逆变电路的开关触发角，使整流电路输入电流的三相波形尽量对称，这个方面还有待进一步的研究。

　　6 不合格电能对变频器本身的影响

　　变频器产生谐波以及造成功率因数不平衡破坏电网的电能质量，大量变频器的广泛应用对电网造成的污染越来越严重，首当其冲的是影响到其自身的正常运行。变频器产生的谐波电流在系统阻抗上产生压降，使得其输入电压波形发生畸变，长时间运行在这样的环境下，开关损耗大大增加，开关元件寿命大大缩短，变频器很容易损坏；变频器在输入波形失真的情况下长时间运行，会导致整流环节控制失灵，引起开关元件误动作，甚至在开关过程产生过电压烧坏元器件；如果不及时采取相应措施改善输入波形，不仅影响到变频器的正常工作，还会造成分别与变频器输入端和输出端连接的相关电气设备烧损。这样的实例也越来越多，在近几年的工作中已经多次目睹类似事故。

　　7 结语

　　大量变频器的广泛应用对电网造成的污染越来越严重，以谐波污染最为典型，其他方面的不良影响也随着对变频器的深入研究开始逐渐凸现，放任问题的严重化和扩大化而不提前采取合理有效的措施，无论从谐波治理效果还是治理成本方面考虑都是流失最佳时机。本文从硬件结构、控制策略以及外接滤波电路等三个方面提出了一系列抑制变频器谐波污染的方法和措施，变频器不同环节产生的谐波有针对的抑制措施，对于变频系统一个整体而言，综合应用各种措施对于改善变频系统的输入输出波形指标会更有效；另外本文对变频器低载时产生的输入电流不对称引起功率因数不平衡现象作了分析，并提出了相应的改善建议。