谐波分析与说明[1]

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1、谐波的分析与说明[1]NewsletteronDrivesSolutionsissuedbyDanfossDrivesandDanfossBauerJuly2003諧波的分析與說明前言變頻器提供精確的程序控制能力，在各領域應用中已被廣泛地使用及肯定，由於具有精確的控制方式和顯著的節能效果，在冷凍空調（HVAC）系統中也已成為標準控制不可或缺的主要設備。今日，大部分的設備裝置中存在著大量的敏感性電子設備，諸如：醫療、無線通訊設備、可規劃控制器等，當變頻器裝設於；如機場、院所、研究機構等地，上述敏感性設備便有產生出乎意料的可能性。

2、此點突顯變頻器工作於公眾場合或非公眾場合時工作技術規範要求的重要性。本文將檢視變頻器所產生電氣雜訊中；交流電源線路上諧波畸變現象（HarmonicsDistortion）。我們將說明此現象的肇因和影響，同時，在選擇變頻器應當考慮的相關注意事項，於此都有詳盡之描述。電源線路電源畸變的肇因整流器逆變器DC母線AC電源圖1變頻器基本結構電路變頻器透過整流器將輸入的交流電壓轉換成直流電壓，再由逆變器將直流電壓轉換成馬達所需的可調電壓和頻率。交流電源至逆變器圖2PWM變頻器的二極體橋式整流器現今最常使用的變頻器中，大部分採用二極體橋式整

3、流器將交流電源轉變至固定電壓的直流電壓母線上，然後再使用一組直流電壓母線電容器將直流電壓母線上的交流脈動紋波濾除。儘管如此變頻器有好的效率，但由於其汲取交流電流的方式，將使交流電源產生問題。因為只有在輸入電壓大於直流母線電壓時，電流才能從整流器流入直流電壓母線。如圖3所示，此現象出現於三相中各相僅存在持續很短的時間。要在這麼短的時間裡傳遞馬達所需的能量，峰值電流必然很高。整流直流電壓線對線交流電壓相電壓及電流圖3只有當輸入電壓大於直流母線電壓時才會有輸入電流由上圖得知輸入電流明顯地非正弦現象。每半波週期形成兩個脈衝波。此種電流

4、波形含有高階的諧波成分，由於此脈衝波正落於電壓波形中心處，故其落後功因近似於1。大多數現代電子設備都採用這類型的整流電源電路，包括電腦、傳真機、影印機、電子式照明安定器及變頻器。由於電流與電源電壓（波形）不成比例，這樣的負載被稱為非線性負載。在三相系統中，實際流動的電流為兩個相隔60o的脈衝序列。對於第一條電源線L1，第一個脈衝發生在L1和L2的電壓差為最大時；第二個脈衝發生在L1和L3的電壓差為最大時。圖4中所示為一般變頻器的實際輸入電流波形。圖4變頻器的輸入電流這些時間短、高峰值的電流脈衝會帶給大樓內其他電氣系統一系列問題

5、。其中需要關心考慮的是向變頻器輸送電源的電力變壓器問題。一般變壓器是以工作於平滑（純）的正弦波電流設計的，如上所示的短時間電流脈衝會造成變壓器額外發熱。如果變壓器在設計時沒有考慮如何安全地處理這樣的電流，變壓器就會因過熱而壞損。在此嚴苛的工作環境情況下，如不將此負載電流濾除處理，勢必要將變壓器的容量提高才能安全工作。第二個問題是對其他設備的干擾。導線周圍的磁場強度與該導線中的電流變化率成正比。因此這些快速變化的電流脈衝將傳遞比正常正弦電流高的電氣雜訊信號。這將導致系統中其他設備產生嗡嗡的聽覺噪音，不穩定的顯示畫面，及不可靠的傳

6、輸數據，或干擾敏感性電子設備的正常操作。以上兩個問題通常可以透過恰當地選擇變壓器和仔細地屏蔽敏感電路來解決，然而脈衝電流所引起的其他問題卻涉及廣泛，因而也更顯重要。由於配電系統中存在系統阻抗，當產生脈衝電流時，則於配電系統中產生畸變電壓（諧波電壓）影響正常正弦電壓供www.danfoss.com.tw/drives應，如圖5所示，類似梯形波的“削頂”作用現象。此現象有可能造成依靠大樓電力配電系統傳輸信息的設備出現誤動作，如像遙控照明設備、電子子母鐘同步系統、以及其他類似系統。當緊急發電機的電壓調節器在試圖補償此削平的電壓峰值時

7、，可能造成發電機不穩定運轉。其他依賴“完美”的電源才能可靠工作的設備，也可能受到影響。因為此一電源供給所有與該電路連接的電氣設備使用，所以其影響將非常廣泛。正因如此，電壓畸變將是一項非常重要的防範課題。圖5一般變頻器造成的相對相電壓畸變（削頂）主電源畸變的檢測電壓畸變的嚴重程度取決於建築物中電力配電系統的阻抗和與其相連接的非線性負載的數量及類型。可接受的電壓畸變程度取決於安裝在建築物中其他設備的敏感性。為了對這兩類畸變因素進行比較，有必要量化的描述畸變現象。所採用的方法即是“諧波分析”。諧波分析理論指出，任何週期性的波形都可以

8、用數學方法分解成一系列的純正弦波，這些正弦波由一個基本頻率（基本波）和該頻率整數倍的波形（諧波）構成。有兩種方式可以表達這種數學分析的結果。最詳細的方法是描述每個諧波分量的波幅值，可以用絕對單位：如伏特，也可以用基本波的百分比（諧波含有率）表示。如此，可以確定諧波畸變的來源。