怎么减轻变频器产生的谐波

变频器既可能是电能质量差的来源，也可能是电能质量的受害者。

变频器作为受害者负载

尽管变频器通常被描述为 PQ 场景中的罪魁祸首，但它们也有可能成为受害者负载。

电容器切换瞬态

作为公用事业电容器切换特征的高能（相对低频）瞬态可以通过服务变压器、馈线和变频器的转换器前端直接传递到直流母线，在那里它通常会导致直流链路过压跳闸。输入二极管也可能被这些瞬变烧毁。

电压失真

如果高压失真表现为过度平坦的顶部，它将阻止直流链路电容器完全充电并降低变频器的穿越能力。因此，通常不会影响变频器的电压骤降会导致变频器在欠压时跳闸。

接地不当会影响变频器内部控制电路，造成不可预知的后果。

变频器是罪魁祸首

变频器绝对可以成为“罪魁祸首”，并对系统 PQ 产生重大影响。但在我们谈论问题之前，让我们为变频器对 PQ 的积极影响说一句好话。首先，它们提供内置的软启动功能。这意味着不会有浪涌电流，也不会对系统的其余部分产生电压骤降影响。其次，如果变频器是 PWM 类型，带有二极管转换器前端，则位移功率因数很高（在额定负载下通常 》 95 %）并且在整个范围内或多或少保持恒定。这意味着变频器可以同时减少能源使用并校正位移功率因数。这也是一件好事，因为变频器和功率因数校正电容不要混用。电容器容易受到变频器产生的高频谐波电流的影响，因为它们的阻抗随着频率的增加而降低。

变频器的类型对 PQ 症状有重大影响，因为转换器设计不同（转换器或整流器将交流转换为直流，是变频器的第一级）。有两种主要的转换器设计类型。

带有电压源逆变器/可变电压逆变器 （VSI/VVI） 的 SCR 转换器

通常称为六步变频器，它们在其转换器前端使用 SCR（硅控整流器）（以下讨论适用于 CSI，电流源逆变器变频器，也使用 SCR）。VSI 和 CSI 变频器设计倾向于应用于较大的变频器（》 100 HP）。SCR 转换器通过打开（或“选通”）一部分所施加的正弦波的电流并在零交叉点处关闭来控制直流链路电压。与二极管不同，SCR 需要用于栅极触发的控制电路。

对于 SCR 变流器，影响线侧 PQ 的主要有三个问题：

换向槽口。SCR 切换或换向会导致两相都处于“ON”状态的短暂时刻。这实际上会导致瞬时短路，从而导致线路电压崩溃。这在电压波形上显示为“陷波”。这些缺口会导致高 VTHD 和瞬变。解决办法是在变频器前端串联一个电抗器线圈或隔离变压器来解决这两个问题。

位移功率因数随着变频器速度的降低而下降。这并不像听起来那么严重，因为驱动电机负载的功率需求降低得更多。

谐波电流，通常为 5 次和 7 次，由 VSI 变频器产生。

带脉宽调制 （PWM） 变频器

的二极管转换器另一种更常见的转换器设计使用二极管，用于 PWM 变频器。二极管不需要开关控制电路。行业的主要趋势之一是 PWM 变频器的激增，这主要是由于在变频器的逆变器部分（逆变器将直流变为直流）中使用的快速开关、高效的 IGBT（绝缘栅双极晶体管）的持续发展。交流）。出于所有实际目的，PWM 变频器是行业标准。

对于二极管转换器，主要的 PQ 问题是谐波。产生的实际谐波次数取决于前端二极管的数量。对于三相转换，最少需要六个二极管。这种“六脉冲”转换器将产生 5 次和 7 次谐波。如果使用 12 脉波转换器，将产生 11 次和 13 次谐波而不是 5 次和 6 次 - 非常重要的是，对于相同的负载，11 次和 13 次的幅度将大大小于 5 次和 6 次。 因此，THD 会更小。然而，绝大多数变频器都是六脉冲 PWM 风格，这也是我们在系统中看到如此多 5 次谐波的原因之一。

谐波解决方案

有多种缓解变频器的解决方案产生的谐波：

谐波陷波滤波器

这些通常是并联连接在谐波源（换句话说，在变频器输入端）的 LC 网络。它们被调谐到略低于 5 次谐波（通常为 280 Hz），并且倾向于同时吸收 5 次和大部分 7 次谐波。显然，它们的大小必须适合产生谐波的负载。

移相变压器

这可以像三角形星形变压器为一个变频器供电，而三角形-三角形为另一个变频器供电一样简单。这两种配置之间存在 30 度相移效应，这有效地消除了最近的上游 PCC（公共耦合点）处的谐波。当两个负载或多或少相等时，抵消效果最佳。

12 脉冲转换器

如果 delta-wye/delta-delta 封装在一起（delta 初级、delta 和 wye 次级）并且每个次级馈送两个并联的六脉冲转换器中的一个，则创建一个 12 脉冲前端，其中包含所有上面提到的好处。也可提供 18 脉冲设计。由于额外的成本，这种类型的解决方案往往只用于高 HP 负载。

有源滤波器

这项相对较新的技术基于一个优雅的概念——使用电力电子来解决电力电子产生的问题。感应瞬时交流正弦波；然后，它通过产生相等和相反极性的谐波来主动消除它检测到的谐波，从而重新创建正弦波。商业封装也可能提供电压调节。

有源功率因数校正

另一种最近的解决方案是制造商使用快速开关技术提供转换器前端，这种技术产生的谐波量最少，并且具有接近统一的功率因数（总功率因数和位移功率因数）。关于在特定情况下哪种谐波缓解方法可能被证明是最有效和经济的，还有讨论的余地。然而，最终用户经常忽略的，从本节的信息中应该清楚的是，变频器系统的总成本应该包括变频器本身的成本和谐波抑制（无论是变频器的一部分或单独安装）。

电力系统共振

是否可以安装“功率因数校正电容器”而使功率因数变差？确实如此，理解这个难题的起点在于位移功率因数 （DPF） 和总功率因数 （PF） 之间的区别。不理解差异的惩罚可能是电容器烧毁和投资浪费。

总功率因数和位移功率因数在一种基本意义上是相同的：它们是有功功率与视在功率的比值，或瓦特与 VA 的比值。位移功率因数是功率因数的经典概念。它可以被认为是基频下的功率因数。总功率因数，缩写为功率因数 （PF），现在包括基波和谐波电流的影响（也称为真实功率因数或失真功率因数，下图）。因此，在存在谐波的情况下，功率因数始终低于位移功率因数，并且比单独的位移功率因数更准确地描述了总系统效率。

严格来说，术语“功率因数”指的是总功率因数，但实际上也可以用来指位移功率因数。不用说，这给功率因数的讨论带来了一些混乱。你必须清楚你在谈论哪一个。

位移功率因数

较低的排量功率因数是由电机负载引起的，这些负载引入了对无功功率（伏安无功或 VAR）的需求。系统必须具有以伏安 （VA） 为单位测量的容量，以提供 VAR 和瓦特。需要的 VAR 越多，VA 要求越大，位移功率因数越小。VAR 的成本计入功率因数罚金。公用事业通常对低于一定水平的位移功率因数征收额外费用；实际数字差异很大，但典型数字为 0.90 到 0.95。

为了减少由电机负载引起的 VAR，安装了功率因数校正电容器。工厂和公用事业级别的上游系统容量已释放并可用于其他用途。

从历史上看，这一直是功率因数故事的要点：一个相对众所周知的问题，具有相对简单的解决方案。

谐波和电容器

谐波对我们的功率因数校正方法产生了巨大影响。上述电机和电容器负载都是线性的，并且对于所有实际目的都不会产生谐波。另一方面，诸如变频器之类的非线性负载确实会产生谐波电流。

以一家工厂为例，该工厂正在逐步将变频器安装到其电机负载上。变频器会产生大量谐波电流（六脉冲转换器变频器上的第 5 次和第 7 次）。突然，现有功率因数校正帽上的保险丝开始熔断。由于这些是三相电容，三个保险丝中只有一个可能会熔断。现在你有不平衡的电流，可能是不平衡的电压。电工更换保险丝。他们又吹了。他放入了更大的保险丝。现在保险丝还能用，但电容器烧断了。他更换了电容器。同样的事情发生。这是怎么回事？谐波是更高频率的电流。频率越高，电容的阻抗越低 （X C = 1/2πfC）。电容充当谐波电流的吸收器。

电力系统共振

在最坏的情况下，变压器的感抗 （X L ） 和功率因数校正电容的容抗 （X C ） 形成并联谐振电路： X L = X C谐振频率与谐波频率相同或接近。负载产生的谐波电流使电路产生振荡。然后在该电路中循环的电流比励磁电流大很多倍。这种所谓的“槽路”会严重损坏设备，也会造成功率因数下降。相反，这种谐振条件通常仅在系统负载较轻时才会出现，因为电阻负载的阻尼效应被消除了。换句话说，我们有音频爱好者所说的“高 Q”电路。

想象一下在星期一上班，看到电缆上的绝缘层融化了。在系统几乎没有任何负载的周末怎么会发生这种情况？欧姆定律被推翻了吗？不完全的。你的电力系统刚刚度过了整个周末的谐波。这是一场盛大的派对，但现在是大扫除。

从谐波缓解开始

正确的解决方案始于测量和减轻变频器产生的谐波。通常需要谐波陷波滤波器。这些陷波滤波器就地安装在变频器的线路侧。它们的作用与传统的功率因数校正帽非常相似，在两个方面：它们降低了位移功率因数和功率因数，并且它们还定位了问题谐波的循环（通常是第 5 次）。谐波抑制和传统的位移功率因数校正应该作为一个系统问题来解决。换句话说，管理总功率因数，而不仅仅是位移功率因数。
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