变频器是产生电力系统高频尖峰电压的源头

             变频器是产生电力系统高频尖峰电压的源头

变频器是怎样产生谐波电流的？

   变频器工作时，之所以产生谐波电流，是因为变频器输入端的整流电路的阻抗不是一个定值，其阻抗随着外加电压的变化发生变化，这就导致整流器从电网吸取的电流不是正弦波电流。

  单相整流器由整流桥和平滑电容构成。一般情况下，负载的电流由平滑电容供给，仅当正弦波的电压高于平滑电容的电压时，才会有电流流入电容和负载中，因此仅在电压峰值处产生脉冲状，这种脉冲状电流中包含了丰富的谐波成分。同样的道理，3相整流器也会产生谐波电流，但是这时对应每个波峰，不是一个脉冲电流，而是两个脉冲电流。

无论单相整流器还是三相整流器，他们的电流波形都发生了畸变，不再是正弦波电流，因此包含了谐波成份。

   产生谐波电流的负载称为非线性负载，与之对应，不产生谐波电流的负载称为线性负载。线性负载的阻抗不会随着施加在其上面的电压发生变化。这时，流过负载的电流I = U/R，这意味着电流I与电压U是线性关系，线性负载由此得名。当电压为正弦波时，流过线性负载的电流依然为正弦波电流，因此不会产生谐波电流成分。

    理想的电阻、电感和电容都是线性负载。但是实际的电感可能是非线性负载，例如，带有铁芯的电感，其电感量随着外加电压而变化（随之而来的是阻抗的变化），因此是非线性负载。变压器产生谐波电流就是这个道理。

    非线性负载的阻抗随着施加在其上的电压变化，这时流过它的电流与施加在它上面的电压不是线形关系，故称其为非线性负载。对这样的负载施加正弦波电压时，流过负载的电流值不再是正弦波，其中包含了谐波成分。

    带平滑电容的整流器是最常见的非线性负载，它产生的谐波电流与电路结构有关。整流器从电网吸取脉冲电流，每个交流电周期整流出的脉冲数称为这个整流器的脉数。例如，对于单相整流电路，每个周期输出2个直流脉冲，因此称为2脉整流器；对于3相整流电路，每个周期输出6个脉冲，因此称为6脉整流器。除此以外，还有12脉整流器、18脉整流器等。

   变频器的谐波电流是由变频器整流器输入电路导致的。不同脉数的整流器产生的谐波成分不同，3相6脉整流器产生的谐波电流以5次、7次、11次、13次为主。增加变频器输入整流器的脉数可以减小谐波电流。

变频器产生的谐波电流时怎样干扰其它设备的？

变频器是通过电网阻抗对其它设备形成干扰的，这个过程如下：

1) 变频器产生谐波电流；

2) 谐波电流流过电网阻抗时，产生了谐波电压；

3) 谐波电压对其他设备产生了干扰。

根据以上机理，我们可以得出一些结论：

1) 判断设备是否会受到变频器谐波电流的影响，需要看谐波电压畸变率，一般超过5%就会导致设备的误动作；

2) 设备距离变频器越近，谐波电压越大，越容易受到变频器谐波电流的干扰；

3) 电源越弱，例如小容量变压器、发电机、UPS等，变频器的谐波电流干扰越强；

4) 设备与变压器之间的电缆越长，设备越容易受到变频器谐波电流的干扰。

   谐波电流流过电源内阻时产生的典型电压畸变是电压波形平顶。这种平顶电压除了对电子设备产生直接干扰外，还对电子设备有隐性的危害和影响，这包括：

（1）缩短设备寿命

   大部分电子设备的输入端是开关电源，而开关电源的直流母线电压由交流电的峰值电压决定，而不是由有效值决定。每半个周期，平滑电容上的电压被充电到交流电的峰值电压，当交流电的峰值过后，由电容放电来维持电子设备的工作，因此直流母线上的电压会有小的纹波。当交流电发生平顶时，直流母线的电压降低，如图8-1的上图所示。这时开关电源为了维持同样的功率，必须吸取更大的电流，这会增加内部发热（I2R），例如，当交流电压的峰值降低10%时，电阻性损耗增加23%，这会导致器件过热而缩短寿命。

（2）降低设备抗电压跌落性能

   电子设备的一项重要指标是抗电压跌落特性，也就是，当电压出现暂短跌落时，设备要能够保持正常的工作。设备是依靠内部电容存储的能量来实现这个功能的。电容所储存的能量越大，设备在外部供电缺失的情况下能够维持的时间越长。对于电容量为C的电容器，它所储存的能量是U 2C/2，其中U是电容上的电压，等于交流电的峰值。

平顶畸变的电压意味着交流电的电压峰值降低，反映在电容上就是电容所储存的能量减少，这时，设备就不能再具有所设计的抗电压跌落特性了。需要注意的是，电容所储存的能量与它上面的电压的平方成正比，因此，较小的电压降低，会导致较大的储能数量减小。例如，当电压峰值减小10%时，电源的抗电压跌落能力（以电压跌落时间计算）降低37%。

（3）影响电源切换

   设备使用应急电源（其内阻较大）会产生更大的谐波电压畸变率，这时会出现下述问题。当外部供电恢复时，应急电源产生的较高的电压畸变率会影响供电从应急电源向外部电源切换。因为较高的畸变率会影响应急电源与外部电源的同步，没有同步，两个电源不能并联起来。为了实现同步，必须减小负载，帮助电源切换。

  变频器对其他设备的影响是通过谐波电压产生的。由于谐波电压畸变率与电网阻抗相关，因此同一台变频器在不同电网条件下产生的干扰是不同的。电源越弱（小容量变压器、自备发电机、UPS），越容易发生干扰问题。即使在同一个电网中，变频器对安装在不同位置的同一类设备影响也不同，距离变频器越近，越容易发生干扰。

变频器产生的谐波电流为什么会导致电缆和变压器过热？

 这是因为谐波电流具有更高的频率。

  交流电流过导体时，会产生一种物理效应，称为“趋肤效应”。趋肤效应的含义是，流过导体的交流电流并不是均匀分布在导体内，而是趋向于导体的表面，电流的频率越高，这种电流分布趋向于表面的现象越明显。由于导体仅流过导体的表面部分，因此导体的实际有效截面积就会减小，这意味着电阻增加，会产生更大的热量。同样幅度（有效值）的电流，流过导体时，电流产生的热量与其频率的平方成正比。因此，谐波电流流过导体时，会导致导体严重发热。例如，同样100A的电流，5次谐波在电缆中产生的热量是基波（50Hz）电流的25倍！

   谐波电流流过导线时产生更大的热量是一个必须重视的问题。因为我们在进行线路设计时，导体的截面积是按照基波频率设计的，而当这些导体中流过谐波电流时，呈现更大的电流密度，导致更大的电阻损耗（I2R），从而导致导体发热。这往往会导致电缆早期老化、甚至诱发火灾。

对于变压器而言，问题更加严重，不仅存在上述的谐波电流导致导体发热（铜损）的问题，还存在变压器铁损增加的问题。铁损是由于磁场在铁芯中感应出涡流产生的。我们知道，涡流的大小与磁场的变化率呈正比关系，也就是，磁场变化率越大，产生的涡流越大。谐波电流具有更高的频率，因此激励的涡流更大。另外，涡流在铁芯中流动时同样存在趋肤效应的现象，这进一步增加了热量。因此谐波电流导致铁芯的发热量比基波电流严重的多。

由于这些额外的发热会缩短变压器的寿命，必须降额选用变压器（使变压器不工作在额定功率下），或者选用能够承受更大热量的变压器（k等级变压器）。

  电流流过导体时产生的发热量与电流频率的平方成正比，因此谐波电流的发热量超出我们的想象。传统的设计方法中，导线的截面积按照50Hz设计，现在的谐波电流频率达到150Hz、250Hz、350Hz，甚至更高，这导致按照传统设计方法建设的线路不再适合变频器负载的情况。为了使现有配电变压器和线路能够满足安装变频器以后的要求，消除安全隐患，必须对变频器采取谐波治理措施。