变频器应用中的谐波及矩阵变频器的对策

改造者：韩灵生 葛良松

变频器应用中的谐波及矩阵变频器的对策

改造者：韩灵生 葛良松

变频器在工业领域广泛应用，但其形成的谐波对电网造成很大的危害。本文分析了变频器谐波形成的原因、危害及传统的治理方法，并着重分析了矩阵变频器的原理及应用。矩阵变频器的应用是解决变频器谐波危害的根本办法。

变频器是一种可广泛用于各行各业的通用感应电机调速装置， 变频器调速有诸多优点，如调速方便，节能，易于控制等，所以应用非常广泛。但由于传统的变频器主要为交-直-交型电压型，需不断地通过直流环节充放电，然后由直流逆变为可变的交流电源，所以对于供电网络，变频器是一个非线性负载。交流供电电网的电源电压给变频器供电，标准50Hz基波电流会发生畸变产生谐波电流。其输入输出电压和电流中除了基波以外，还有一定的高次谐波，而这些高次谐波的存在对变频器周边的设备会有不同程度的影响。同时还会通过输入电源线对公用电网产生影响。因此，以变频器应用带来的谐波危害，一直是工业客户和供电部门需解决的问题。下面就传统变频器应用的谐波产生，危害和治理方法进行分析，并就新型矩阵变频器的原理应用做系统介绍。

变频器谐波产生的过程

通用变频器的高次谐波发生原理通用变频器的电源所供给的交流电流经桥式整流器整流后，用电容稳压成平滑的直流电供给逆变器部。为了给该平滑电容充电，交流输入电流就会成为含高次谐波的失真波形。

电力公司供给的商用电源的频率（50Hz）称为基本波频率（以下简称基波），此基波的整数倍（n）的频率成分称为n次高次谐波。基波上叠加了高次谐波的波形会发生畸变。对于三相整流负载，变频器主要产生5、7次谐波。包括整流回路的电器回路中，使用电抗、电容平滑回路时，产生较多的高次谐波，输入电流波形发生畸变（如图1所示）。

变频器谐波产生的问题

变频器产生的高次谐波对周边设备会带来的以下不良影响。

变频器谐波会引起电网电源波形畸变，会对同一电网内的其他设备元件产生谐波损耗，降低了其他用电设备的使用寿命和效率。

变频器产生的高次谐波通过电线传导，会对其他控制设备和开关电器产生不良影响，使这些设备出现误动作。流入设备的高次谐波电流会造成异常声响、振动、烧坏等事故。

变频器谐波谐波会使电机产生损耗，还会产生机械振动、噪音、过电流和过热，使电机效率降低和减少使用寿命。

变频器谐波会产生电波噪声，对变频器周围的通讯系统产生干扰，对AM收音机产生干扰电压，使通讯系统无法正常工作。

变频器谐波还会产生辐射干扰，对位置编码器等测量和计量仪器的等产生不良影响。

传统变频器谐波的治理对策

图1 基波和高次谐波

由于传统变频器的电压和电流的波形畸变产生的谐波问题，传统的可采取屏蔽、隔离、接地及滤波等技术手段。

将变频器的供电电源和与其它设备的供电电源独立分开。可在变频器的输入侧安装隔离变压器，与其他设备隔离开。

加装交流电抗器和直流电抗器：通过加装电抗器，可以减少脉冲电流波形的峰值，增加电流的平滑度，达到改善电流波形的目的，有效抑制高次谐波。

加装无源或有源滤波器：滤波器由L、C、R元件构成对高次谐波的共振电路，从而达到吸收高次谐波的作用。

变频器整流电路的PWM控制，多个逆变单元并联，通过波形移位叠加，抵消谐波分量；在传统的6脉冲整流的基础上，整流单元并联，采用12脉冲、18脉冲、24脉冲整流，以降低谐波成分。

图3 矩阵变频器结构图

矩阵变频器的应用

传统变频器谐波的治理只能是被动治理，而如果变频器本身能够具有无谐波或谐波很小，则就能根本解决或大部分治理变频器谐波的危害。而矩阵变频器就具有下述优点。

矩阵变频器的原理

矩阵式变频器（见图2）是以PWM控制，将交流电源直接转换为任意电压频率，AC-AC 直接变换的功率变换回路。三相交流电源通过LC回路的输入滤波器，与双方向 9个开关连接，与输出连接，直接输出任意电压及频率的AC/AC转换装置。与以往的通用变频器不同的是中间没有使用晶体管和电容的直流回路，简单而高效率。无电容充放电而引起的高次谐波电流。电流畸变可降低到5％左右。另外，由于可以使电流往双方向流动，因此，减速时等电机上9个双方向开关所产生的制动（再生）电力可以反馈至电源侧，并可在其他机械上再利用。

矩阵变频器使用了9个半导体开关，按照PWM算法控制开关顺序，并直接连接到三相电机上。每一个半导体开关由2个IGBT组成双向开关组成，能允许正向电压和负向电压通到电机上。矩阵变频器使用三相电网电压输入来控制输出电压，这样能吸收任何电流杂波，同时提供了正弦的输出电压波形，能大幅降低输入电流的谐波的产生，矩阵变频器高次谐波只是传统的交-直-交变频器的10％以下。

从图3可知，矩阵变频器主回路无平滑电容，不会造成供电电压和电流波形畸变，其输入电流和输出电压均为正弦波形，与传统的交交变频器和交直交变频器相比，具有显著特点，可以实现四象限运行，可以将再生能量直接回馈电网，无须外部加装谐波滤波装置，效率高，结构紧凑，控制自由度大。所以具有更广阔的应用前景。

矩阵变频器的应用

由于矩阵变频器省去了中间直流环节，无须平滑电容。能实现功率因数为1，且能能量回馈，实现四象限运行，可以实现变频器本身基本无高次谐波。矩阵变频器是一种具有优良控制性能和发展前途的新型变频电源。但过去十几年，由于关键控制理论的技术实现问题，电力电子元器件功能问题和主要元器件的价格问题，市场上基本没有市场化的产品。

2015年，日本安川公司已将矩阵变频器产品化。安川U1000系列变频器就是矩阵变频器，其能实现输入电流是正弦波，输入电源高次谐波符合IEEE519（输入THD＜5％），输入功率因数为1。与通用变频器因为主回路电容充放电而引起的输入电流的畸变（高次谐波电流）不同，U1000可轻松对应高次谐波准则。其U1000系列矩阵变频器已开始应用到起重、电梯、扶梯等其他需要连续电动又连续制动的场合。矩阵变频器最适合应用到需要那些有要求无干扰，低谐波的应用场合，如在医疗设备，电信通讯，银行数据中心机房等。

结语

综上所述，分析了传统变频器谐波产生的原因和对周边系统的危害，在具体治理上可采用屏蔽、隔离、接地及滤波等方法。但矩阵变频器的使用将变频器谐波控制在最小范围内，相信随着矩阵变频器的产品化，合理的成本会促进矩阵变频器的普遍使用，这样才能根本上解决变频器谐波问题，最终达到科学合理用电，抑制电网污染，提高电源质量。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.23.018