諧波抑制

「諧波抑制（Harmonic Suppression / Harmonic Mitigation）」是變頻器、電力電子設備應用中非常重要的一個主題。
以下我會幫你完整整理：
📘 概念 → 來源 → 影響 → 抑制方法 → 實務應用重點。

⚙️ 一、什麼是諧波（Harmonics）

在理想情況下，電壓與電流應該是 純正弦波。
但當系統中有非線性負載（如變頻器、整流器、UPS、電腦電源）時，
會讓電流波形畸變，在基本頻率（如60Hz）之外產生3次、5次、7次...等諧波分量。

🔹 基波：60 Hz
🔹 第3次諧波：180 Hz
🔹 第5次諧波：300 Hz
🔹 第7次諧波：420 Hz
⋯⋯以此類推

⚡ 二、諧波來源

主要是變頻器整流電路造成的。

元件 產生諧波原因 主要諧波次數
6脈波整流器（一般變頻器） 二極體或IGBT開關造成電流非線性 5次、7次、11次、13次...
12脈波整流器 改善6脈波諧波干擾，但仍有高次諧波 11次、13次、23次、25次...
非線性電源（UPS、SMPS） 整流與濾波作用 各次諧波混合
飽和磁性設備 波形失真 奇次諧波

⚠️ 三、諧波的影響

影響範圍 具體影響
電力系統 電壓波形畸變，電壓總諧波畸變率（THD-V）上升
馬達設備 發熱增加、噪音振動、壽命縮短
電容器與變壓器 過熱、共振、提早老化
保護裝置 誤動作（特別是漏電斷路器）
通訊系統 電磁干擾（EMI）影響控制與通訊訊號
能源效率 功率因數下降，增加損耗

👉 國際標準限制：

  • IEEE 519：THD 電流建議 < 5%

  • IEC 61000-3-2 / -12：規範設備諧波排放上限

🧠 四、諧波抑制的主要方法

🧩 (1) 改善變頻器整流方式

方法 說明 優點 限制
12脈波整流 使用兩組6脈波變壓器相位差30° 降低5、7次諧波 成本高、體積大
18脈波整流 三組整流組成 THD < 5% 成本最高
主動前級整流器（AFE） IGBT整流 + PWM控制 可回生、諧波低、功率因數≈1 控制複雜、價格高

🧩 (2) 安裝濾波裝置

類型 原理 適用對象
被動濾波器（LC Filter） 使用電感+電容組成共振網路，吸收特定諧波 單台變頻器、低頻諧波
主動濾波器（Active Filter, APF） 偵測諧波波形，產生反相電流抵銷 多負載系統、動態補償
混合式濾波器（Hybrid Filter） 被動+有源結合 高性價比方案

🧩 (3) 增設前端電抗器或DC扼流圈

裝置 作用 效果
AC電抗器（Line Reactor） 降低整流器電流尖峰、濾除5次以上諧波 THD降低至約30～40%
DC電抗器（DC Choke） 穩定直流電壓、減少脈動 與AC電抗器效果類似

🔹 一般建議：
若使用標準6脈波變頻器 → 建議前端加裝 AC 電抗器 (3%) 或 DC choke

🧩 (4) 提升系統設計

  • 避免過多變頻器集中於同一母線

  • 合理分配負載容量，降低諧波疊加

  • 使用隔離變壓器或Δ-Y 接法消除三次諧波

  • 增設電力品質監測儀定期檢測 THD

  • 設計時符合 IEEE 519 或 CNS 14782 等標準

🔋 五、實際應用案例比較

案例 採取措施 諧波改善結果
空壓機群組（6台變頻器） 加裝 AC 電抗器 + APF THD 電流由 35% → 6%
HVAC 系統（冷卻塔） 改用 AFE 變頻器 THD < 4%，功率因數 0.99
電梯系統 DC choke + 濾波電容 THD 降至 10%，電壓波形改善明顯

📉 六、諧波抑制後的效益

成效 說明
電壓波形恢復平滑 減少機器抖動與過熱
降低設備故障率 延長馬達與變壓器壽命
提升系統效率 降低損耗、節能 3~8%
提升電力品質 通訊干擾減少、穩定性提高
符合法規與節能標準 通過電力公司與客戶驗收要求

✅ 七、總結：變頻器諧波抑制重點

層面 建議對策
設備選型 選擇內建 DC choke 或 AFE 的變頻器
系統設計 加裝 AC 電抗器或濾波器
運轉管理 定期監測 THD 電流與電壓
節能與保護 減少諧波損耗、避免共振與過熱
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