浅谈变频器谐波危害及解决

浅谈变频器谐波危害及解决摘要：本文从谐波的概念入手，结合变频器的内部结构的相关知识,分析变频器谐波产生的原因及其危害,在此基础上提出了抑制谐波的常用方法.关键字：变频器谐波危害抑制一、引言：采用变频器驱动的电动机系统,因其节能效果显著、调节方便维护简单，而在工业中得到广泛应用，在人们享受它便捷的同时，变频器带来的干扰问题受到越来越多的技术人员关注。世界许多国家都对谐波问题发布了限制电网谐波的国家标准，由权威机构制定限制谐波的规定。世界各国所制定的谐波标准大都比较接近。我国国家技术监督局于1993年发布了中华人民共和国国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》，该标准自1994年3月1日起开始实施。二、变频器原理及其谐波的产生变频器是工业调速领域中应用较广泛的设备之一，目前已在石化企业大量使用。变频器一般采用是交-直-交结构（如图一所示），它是把工频（50HZ）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。其中控制电路完成对主电路的控制，变频调速装置用于交流异步电动机的调速，调速范围广、节能显著、稳定可靠。?（图一）一般通用变频器为交－直－交结构众所周知，电机的转速和电源的频率是线性关系。变频器就是利用这一原理将50Hz的工频电通过整流和逆变转换为频率可调方向的交流电源。变频器输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路，这些都是由非线性原件组成的，在开断过程中，其输入端和输出端都会产生高次谐波。另外变频器输入端的谐波还会通过输入电源线对公用电网产生影响。从结构上来看，变频器有间接变频器和直接变频器之分。目前应用较多的还是间接变频器。间接变频器主电路为交-直-交，外部输入380V/50HZ工频电源，经三相桥式不可控整流成直流电压，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可调的交流信号。在电力电子装置大量应用以后，电力电子装置成为最主要的谐波源。变频器输入侧产生谐波机理：对于变频器而言，只要是电源侧有整流回路的，都将产生因非线性引起的谐波。以三相桥整流电路为例，交流电网电压为一正弦波，交流输入电流波形为方波，对于这个波形，按傅氏级数可分解为基波和各次谐波，通常含有6m±1(m=1,2,…)次谐波，其中高次谐波干扰电网。单个基波与几个高次谐波组合一起被称为畸波（如图二）。（图二）基波与高次谐波畸波（图三）PWM控制的基本原理示意图在采样控制中有一个重要结论：冲量相等而形状不同窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。此结论是PWM控制的重要理论基础。把图三a的正弦半波分成N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉宽相等，都等于，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到了图三b所示脉冲序列，这就是PWM波形。对于正弦波负半周用同样办法也可以得到PWM波形。像这种把正弦波等效的PWM波形也称为SPWM波形。变频器输出侧产生谐波机理：在逆变输出回路中，输出电压和输出电流均有谐波。由于变频器是通过CPU产生6组脉宽可调的SPWM波控制三相的6组功率元件导通/关断，从而形成电压、频率可调的三相输出电压。其输出电压和输出电流是由SPWM波和三角载波的交点产生的，不是标准的正弦波，如电压型变频器，其输出电压波形为方形波，用傅氏级数分解电压方波和电流正弦锯齿波可分析出包含较强的高次谐波成分，高次谐波对设备产生很强的干扰，甚至造成设备不能使用，周围仪器信号失真。谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。三、谐波的危害一般来讲，变频器对容量相对较大的电力系统影响不很明显，而对容量小的系统，谐波产生的干扰就不可忽视，谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，给周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。谐波污染对电力系统的危害严重性主要表现在：（1）谐波对供电线路产生了附加谐波损耗。由于集肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加而提高，造成电能的浪费；由于中性线正常时流过电流很小，故其导线较细，当大量的三次谐波电流流过中性线时，会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短、损坏甚至发生火灾。管趟（颂2耽）谐波影响各碎种电气设备的童正常工作。对傍发电机的影响滤除产生附加功袄率损耗、发热怀、机械振动和珠噪声和过电压汉；对断路器，宇当电流波形过称零点时，由于缺谐波的存在可纱能造成高听的堵d钱i听／屿d窃t痰，这将使开断鹊困难，并且延站长故障电流的坚切除时间。橡接（伟3吵）谐波使电网窝中的电容器产门生谐振。工频扑下，系统装设锁的各种用途的坊电容器其电路姨比系统中的感残抗要大得多，译不会产生谐振仓，但谐波频率晓时，感抗值成奴倍增加而容抗顺值成倍减少，信这就有可能出铺现谐振，谐振府将放大谐波电尊流，导致电容冰器等设备被烧射毁。倚增（苏4玉）谐波引起公侨用电网局部的蛇并联谐振和串德联谐振，从而辣使谐波放大，摸这就使上述危谊害大大增加，况甚至引起严重孤事故。派匪（震5脸）谐波将使继除电保护和自动寇装置出现误动剧作，并使仪表步和电能计量出暂现较大误差；彼谐波对其他系望统及电力用户搏危害也很大：骑如对附近的通么信系统产生干绣扰，轻者出现覆噪声，降鲁低通信质量，希重者丢失信息认，使通信系统辱无法正常工作泉；影响电子设出备工作精度，智使精密机械加垫工的产品质量闷降低；设备寿葬命缩短，家用右电器工况变坏逆等。疮四功、霜把谐波研究的意浅义休谐波研究肆的意义，首先拌是因为谐波的闻危害十分严重撤。各种谐波源橡产生的谐波给秀电力系统造成献巨大的污染，隔影响到整个电凡力系统的运行刮环境、包括系岸统本身的广大灯用户，而且其介污染影响的范挎围很广、距离庙很远，可能远猛比一个工厂对快大气环境的污痒染范围还要大梢、距离还要远漆。寨谐波研究卖的意义，还在老于其对电力电削子技术自身发冷展的影响。电缴力电子技术是斗未来科学技术妙发展的重要支如柱。然而，电丙力电子装置所贩产生的谐波污乐染已成为阻碍耻电子技术发展旱的重大障碍，种它迫使电力电怠子领域的研究把人员必须对谐者波问题进行更蒜为有效的研究迫。券谐波研究预更可以上升到教从治理环境污演染、维诱护顶"性绿色电誓网擦"育的角度来认识贵。对电力系统剧这个环境来说条，无谐波就锄是室"筐绿诊色躁"丘的主要标志之鸦一。在电力电防子技术领域，慎要求实旨施击"泼绿色电力电愉子骄"咏的呼声日益高赤涨。目前，对宽地球的环境保常护已成为全人柏类的共识。对桐电力系统谐波纸污染的治理已仔成为电工学科锤技术界所必须室解决的问题。受谐波研究的意纲义还在于对电订能质量这一概淘念的理解。怖谐波电压宰限值、公用电疲网谐波电压（瓣相电压）的限馒值见下表思宏抛感电网标称电压喜（程K丸V粉）踩塔寨低电压总谐波畸采变率供（乏%逆）嫂炒绒绍各次谐波电压柳含有率陆（充%庸）腥慈弹德奇次角孝种孕偶次稻荐幅0.38姑舍般5.0役施恐4.0汤毁盖2.0匠恶性6煮裙册4.0屠挺塑3.2四帝浇1.0锄德牺10卷抵必35羡中岭3.0等晋冬2.4换至糕1.2法供电系统雾中，认为电网吓的稳态电压波竿形为共频正弦撒波，其数学表缴达式为：其中：可电路中，线性赔无源元件上的朽电压和电流一纸般具有比例柴（羡u=R筹i林）、微巷分眨()邻鬼和积顺分命(哑)宋的关系。正弦否周期函数在进增行加减乘除和妙微分、积分的难运算时，仍保际持正弦函数的澡特点，所以要境求电网尽可能手由正弦波形的沙电源供电。但卧由于非线性负猫载的存在，电叨网电压往往偏奉离正弦波形而糊发生畸变。畸况变波形可以由断一系列不同频挎率的正弦函数横之和来表示：眠岂将吊si默n赏ω周1质t胀项称为基波，价其周期与未发妹生畸变的波形健的周期相同，心在电网中就是辞工频电压的周筑期；其它各项而均称为谐波。厌由于谐波的频搏率是基波频率撇的整数倍，所讯以撇称镜sin混3滚ω观1辨t亭项为三次谐波锄，盼sin演5茫ω云1夜t携项为五次谐每波嚼…验…族。通常将各奇呼次的谐波统称悄为奇次谐波，由偶次的谐波称解为偶次谐波。孕一般地讲，奇析次谐波引起的影危害比偶次谐填波更大。在平杨衡的三相系统昆中，由于对称夸关系，偶次谐肌波已经被消除冠了，只有奇次带谐波存在。壁但是，以毕现在的技术水套平和经济条件火要将产生的高涛次谐波全部消乱灭是困难的。割当前必须把高苦次谐波发生侧袭和受到高次谐贿波干扰的装置魔侧协调起来，乏作为系统的整泊体实施在经济卵、技术上是最为有效的对策。圆五胆、惜赠谐波的抑制爪变频器给咬人们带来极大奏的方便、高效迷率和巨大的经携济效益的同时槐，对电网注入虚了大量的谐波座和无用功，使嗽供电质量不断吓恶化。另一方惕面，随着以计忆算机为代表的下大量敏感设备悉的普及应用，房人们对公用电用网的供电质量除要求越来越高宏，许多国家和紧地区已经制定揉了各自的谐波景标准，以限制侧供电系统及用灯电设备的谐波冠污染。峰抑制谐波火的总体思路有跃三个：其一是荐装置谐波补偿浆装置来补偿谐界波；其二是对描电力系统装置怪本身进行改造铁，使其不产生突谐波，且功率背因数可控爪为宝1夜；其三是在电吨网系统中采用赶适当的措施来版抑制谐波。具颠体方法有以下帽几种：挖阻顿1吼.发选用适当的电聚抗器。迫陡（疑1赶）输入电抗器道。在电源与变哄频器输入侧之吊间串联交流电性抗器（图四）扑，这样可使整伐流阻抗增大来旱有效抑制高次凑谐波电流，减尖少电源浪涌对急变频器的冲击浑，改善三相电域源的不平衡性士，提高输入电盛源的功率因数妖（提高衔到报0.75-0帽.8瓣5苦），这样进线常电流的波形畸议变大约降归低涂30%~50舅%删，是不加电抗垄器谐波电流的抛一半左右。伍（师图四氏）不执串联交流电抗去器铲建议在下侮列情况下使用砍输入交流电抗筋器：凝符份a电)笛变频器所用之贯处的电源容量誓与变频器容量殿之比惜为瞧1把0渣：响1叔以上；挑闸在b床)钱同一电源上接逃有晶闸管设备显或带有开关控巡制的功率因数池补偿装置；习阅勿c衔)闻三相电源的电蒸压不平衡度较涝大床（眠≥传3孤％）；段由于交流悦电抗器体积较算大，成本较高悉，变频器功率份＞兴30k更W绣时才考虑配置腿交流电抗器。键奇（弟2颠）在直流环节狮串联直流电抗生器。直流电抗副器串联在直流迹中间环节母线切中（端警子摘+乌，告-竖之间）。主要胀是减小输入电去流的高次谐波泪成分，提高输牛入电源的功率槽因数（提高荷到抗0.9鹊5纱）。此电抗器培可与交流电抗熄器同时使用，槐变频器功率氏＞泪30k叠W补时才考虑配置滋。铁展（告3欺）输出电抗器动（电机电抗器善）。由于电机离与变频器之间谱的电缆存在分垮布电容，尤其屈是在电缆距离论较长，且电缆怕较粗时，变频惰器经逆变输出舞后调制方波会殖在电路上产生劳一定的过电压农，使电机无法听正常工作，可再以通过在变频氧器和电机间连殿接输出电抗器冒来进行限制（贤图五）。崖图周五住裙串联输出电抗株器赞膝闸2膛.肾选用适当滤波篇器。碗在变频器掉输入、输出电翁路中，有许多赶高频谐波电流似，滤波器用于劣抑制变频器产鉴生的电磁干扰团噪声的传导，兵也可抑制外界令无线电干扰以窗及瞬时冲击、获浪涌对变频器轧的干扰。根据芒使用位置的不殃同可以分为输坚入滤波器和输迅出滤波器。输惩入滤波器冻有驾2父种，线路滤波它器和辐射滤波雷器：补隶（你1胞）线路滤波器骂串联在变频器约输入侧，由电门感线圈组成，晋通过增大电路迟的阻抗减小频除率较高的谐波坛电流；在需要煎使用外控端子茅控制变频器时贺，如果控制回赤路电缆较长，革外部环境的干毒扰有可能从控稿制回路电缆侵珍入，造成变频谷器误动作，此响时将线路滤波蒸器串联在控制零回路电缆上，趋可以消除干扰顶。匹嘴（甜2靠）辐射滤波器泡并联在电源与宰变频器输入侧鸽，由高频电容来器组成，可以州吸收频率较高斩具有辐射能量店的谐波成分，更用于降低无线番电噪声。线路哈滤波器和辐射傲滤波器同时使茫用效果更好。枣输出滤波劣器串联在变频既器输出侧，由杂电感线圈组成令，可以减小输佳出电流中的高雾次谐波成分，斗抑制变频器输羽出侧的浪涌电轨压，同时可以暴减小电动机由茫高频谐波电流友引起的附加转素矩。注意输出挤滤波器到变频须器和电机的接筒线尽量缩短，肿滤波器亦应尽虹量靠近变频器秘。输出滤波器燥从结构上感分破L宽R呜滤波器单元锻和恰L舱C协滤波器单元两疼种类型（图六舟）。炸（图六弹）跌L西R龄滤波器单环元争LC片雷滤波器单元烦除传统侄的慧LR,L厉C忌滤波器还在应损用以外，当前考抑制谐波的重阁要趋势是采用挪有源电力滤波尼器，它串联或且并联于主电路粪中，实时对电杀流中高次谐波屠进行检测，根卡据检测结果输珍入与高次谐波区成分具有相反卡相位电流，达亲到实时补偿谐掀波电流目的，变从而使电网电僻流只含基波电休流。它与无源摧滤波器相比，鼓具有高度可控蛇性和快速响应庸性，且可消除泄与系统阻抗发季生谐振危险，苏但存在容量大脾，价格高的特珠点。袭对于工作栗性质是节能性化的（同时有调订节作用）大容绍量的电动机，汪如酮苯两鸟台亲132K米W鞋的电动机（酮产苯狗泵低36盯0请和而31烟2湖），为了改善碧电机的运行工西况，降低发热躲量，应考虑单泉独串联加装电剩抗器。厦对于工作买电流较大（基文本运行在额定漂容量下）的电逝动机如三催化谷五您台焦13逗2叙～射160K姑W峰（三催扛花撒JG皱1问～桥JG青5棚），为了减少糊电机的发热量棒、降低运行电泄流，使电气元价件的运行可靠灶度提高（空开嫂、断路器），椅应单独串联加铲装电抗器和滤贴波器。冤对于类似民于酮苯过滤机史变频器（酮苯该过脆滤粪30后1舌～躲31工3贩，碎40钻1补～咸40每6嘴）这样的小容购量、多台安装霜的变频装置，耳单独增加滤波诞设备显然投入炒太大，且现有幅空间有限，则坑应考虑在低压钳母线上直接安拣装有源滤波器独。观议顷3角.饼采用多相脉冲鹰整流。忆在条件允感许或是要求谐女波限制在比较银小的情况下，秤可采用多相整降流的方法康。菌1成2江相脉冲整流的萌畸变大约捷为健10氏%向～精15扶%单，奶1阀8芝相的困为烟3书%候～攀8类%苏，完全满足国舍际标准的要求罗。其缺点是需累要专用变压器轻，不利于设备栋的改造，成本蹲费用较高；臭士休4至.割开发新型的变轻频器。棕现在许多反厂家提出生产叠名爸为务“贷绿色变频萌器报”施该变频器品质葬标准：输出和联输入都为正弦侄波，输入功率先因数可控，带缩任何负载都能怖使功率因数书为奴1锣，可获工频上曲下任意可控的擦输出频率。变滋频器内置的交煮流电抗器能有蚕效抑制谐波，运同时可以保护杂整流桥不受电脂源电压瞬间尖悟波影响。是革详5胞.奉选戒用园D-YN1融1教接线组别的三宾相配电变压器设。脊三相变压耳器中把高压侧贫绕组接成三角家形，低压绕组艰为星型且中性哭点兆和宽“触1顷1命”细连接以保证相缺电动势接近于铁正弦形，从而倍避免了相电动捞势波形畸变的牢影响。此时，概由地区低压电项网供电私的稠220姻V碧负荷，线路电缴流不会超过蝇30A它，可海用陈220锻V痕单相供电，否春则应鸟以携220/38雾0璃V砖三相四线供电拥；目前我厂部旁分变压器蹈（施6000V/际400雅V炮）变压器的接任线方式遮为葛Y/Y准0败－刊1乎2粱方式，今后如嗽果需要在这些贼变压器下大批涛量增加变频装俭置，则需要考神虑更换变压器栗以减少谐波跃对际6000定V圾系统的影响。逃减少或削遇弱变频器谐波脑的方法还有：禾偿（届1伸）当电机电缆改长度大于裕5逮0齿米执或田8从0叠米镜（非屏蔽）时岗，为了防止电横机启动时的瞬搬时剃过圈0绩电压，在变频众器与电动机之合间安装交流电骨抗器；椅党（位2桑）当设备附近丹环境有电磁干夸扰时，加装抗近射频干扰滤波裤器慈禁（盲3巩）使用具有隔欣离的变压器，辣可以将电源侧威绝大部分的传帐导干扰隔离在酷变压器之前；雁侄（佳4杯）合理布线，灿屏蔽辐射，在脏电动机与变频纳器之间的电缆劲应穿钢管敷设疤或用铠装电缆执，并和其他弱宿电信号线分走榨不同的电缆沟甩敷设，降低线织路干扰，变频壶器使用专用接归地线；摆宾（舱5群）选用具有开幸关电源的仪表废等低压电器；怨箩（警6沙）在使用单片隔机充、法PL燃C明等为核心的控芬制系统中，在液编制软件的时帆候适当增加对校检测信号和输浮出控制部分的尺信号滤波，以省增加系统自身些的抗干扰能力套。受目前，我疼厂投入使用的罚变频器过共租6备7郑台，其中绝大沫部分变频器在追安装时没有考逆虑谐波对电网字的影响，因而馒没有附带消谐阻装置，其普遍删现象是电机发叮热量、低频运绝行抖动、噪声季等较工频运行恢的电机大，且处变频器运行时幕容易误动作等航，追其根源均甲是因高次谐波霜扰动所致。笔把者建议在下一豆轮技术改造中医，应对以上类科似设备所在线景路补加电抗器糕，滤波器等消吓谐装置，这样生才能在节