變頻器諧波產(chǎn)生原理及消除措施

李慶澤

摘要：變頻器由于優(yōu)越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)能效果及合適的價(jià)格，得到廣泛的應(yīng)用，但是變頻器系統(tǒng)的諧波干擾和污染問(wèn)題也帶來(lái)了不可忽視的不良后果。本文從諧波的概念入手，結(jié)合變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)，詳細(xì)地分析了變頻器諧波產(chǎn)生的原因及其危害，在此基礎(chǔ)上提出了抑制諧波的常用方法。

關(guān)鍵詞：變頻器 諧波 危害 抑制

1、什么是變頻器的諧波？變頻器諧波是變頻器運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)輸入電源用大功率二極管整流（或晶體管/逆變模塊）進(jìn)行逆變，在其逆變過(guò)程中，在輸入輸出回路產(chǎn)生的高次諧波。也就是說(shuō)變頻器在整流、逆變過(guò)程中，輸入輸出部分會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波。變頻器諧波對(duì)供電系統(tǒng)、負(fù)載及其它臨近電器設(shè)備產(chǎn)生干擾。

根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)對(duì)諧波的分析，任何周期性變化的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波整數(shù)倍數(shù)的諧波的正弦波分量。變頻器諧波是一個(gè)周期量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍，變頻器諧波的幅值大小和諧波相對(duì)于基波的相位關(guān)系都是影響這個(gè)周期量的重要因素。通俗地說(shuō)，基波頻率是50HZ，那末諧波就是頻率為100HZ、150HZ...N*50HZ的正弦波。

2、產(chǎn)生機(jī)理：實(shí)際上不限于變頻器，凡是在電源側(cè)有整流回路的，都將產(chǎn)生因其非線性引起的高次諧波。

2.1、變頻器輸入端諧波產(chǎn)生機(jī)理

變頻器的主電路一般為交一直一交組成，外部輸入380V/50Hz的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓，經(jīng)電容濾波及大功率晶體管開(kāi)關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流電壓。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和各次諧波，諧波次數(shù)通常為6n±1次高次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。

2.2變頻器 輸出端諧波 產(chǎn)生機(jī)理

在逆變輸出回路中，輸出電壓和電流均有諧波。對(duì)于PWM控制的變頻器，只要是電壓型變頻器，不管是何種PWM控制，其輸出電壓波形為矩形波。其中諧波頻率的高低是與變頻器調(diào)制頻率有關(guān)，調(diào)制頻率低（如1～2KHz），人耳聽(tīng)得見(jiàn)高次諧波頻率產(chǎn)生的電磁噪聲（尖叫聲）。若調(diào)制頻率高（如IGBT變頻器可達(dá)20KHz），人耳聽(tīng)不見(jiàn)，但高頻信號(hào)是客觀存在。從電壓方波及電流正弦鋸齒波，用傅立葉級(jí)數(shù)不難分析出各次諧波的含量。所以，輸出回路電流信號(hào)也可分解為只含正弦波的基波和其它各次諧波，而高次諧波電流對(duì)負(fù)載直接干擾。另外高次諧波電流還通過(guò)電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。

3、諧波干擾途徑

變頻器諧波干擾途徑還是與一般無(wú)線電干擾一樣分傳導(dǎo)和輻射，在傳導(dǎo)的過(guò)程中，與變頻器輸出線平行敷設(shè)的導(dǎo)線又會(huì)產(chǎn)生電磁耦合形成感應(yīng)干擾；變頻器輸出側(cè)諧波又會(huì)輻射，對(duì)附近的無(wú)線電設(shè)備產(chǎn)生干擾，其干擾途徑如圖1所示。

4、諧波干擾的危害 。變頻器諧波污染對(duì)電力系統(tǒng)的危害是嚴(yán)重的，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

4.1、變頻器諧波降低電力設(shè)備的使用壽命。如變頻器電流諧波將會(huì)使變壓器的銅損增加。變頻器電壓諧波將增加鐵損，使其溫度上升，影響絕緣能力，并造成容量裕度減小，同時(shí)變頻器諧波也可能引起變壓器繞組及線間電容之間的共振。

4.2、變頻器諧波影響各種電氣元件的正常工作。變頻器輸出諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響有：電機(jī)附加發(fā)熱使電機(jī)額外升溫；產(chǎn)生機(jī)械震動(dòng)、噪音及過(guò)電流。變頻器諧波會(huì)使電力電容發(fā)生過(guò)載、過(guò)熱甚至損壞電容器。當(dāng)電容器與線路阻抗達(dá)到共振時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)、短路、過(guò)電流及產(chǎn)生噪聲。變頻器諧波電流會(huì)使開(kāi)關(guān)設(shè)備在啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率，破壞絕緣。

4.3、變頻器諧波使公用電網(wǎng)的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的使用率，大量的三次諧波流過(guò)中線時(shí)會(huì)使線路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)。

4.4、變頻器諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使上述的危害大大的增加，甚至引起嚴(yán)重事故。

4.5、其他危害。變頻器諧波將使繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)作，并使儀表和電能計(jì)量出現(xiàn)較大誤差；變頻器諧波對(duì)其他系統(tǒng)及電力用戶(hù)危害也很大：如對(duì)附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者出現(xiàn)噪聲，降低通信質(zhì)量，重者丟失信息，使通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作 ，變頻器諧波會(huì)對(duì)臨近的通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致通訊質(zhì)量降低，甚至信息的丟失，使通訊系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

5、治理措施：

5.1

變頻器的隔離、屏蔽、接地。將變頻器系統(tǒng)的供電電源與其它設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立，或在變頻器和其它用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器，切斷諧波電流?；蛘邔⒆冾l器放入鐵箱內(nèi)，鐵箱外殼接地。同時(shí)變頻器輸出電源應(yīng)盡量遠(yuǎn)離控制電纜敷設(shè)，不小于50mm間距，必須靠近敷設(shè)時(shí)盡量以正交角度跨越，必須平行敷設(shè)時(shí)盡量縮短平行段長(zhǎng)度不超過(guò)1mm，輸出電纜應(yīng)穿鋼管并將鋼管作電氣連通并可靠接地。

5.2、安裝適當(dāng)?shù)碾娍蛊?。 在變頻器輸入側(cè)與輸出側(cè)串接合適的電抗器，吸收諧波和增大電源或負(fù)載的阻抗，達(dá)到抑制諧波的目的，以減少傳輸過(guò)程中的電磁輻射。 通過(guò)抑制諧波電流，將功率因數(shù)由原來(lái)的（0.5-0.6）提高至（0.75-0.85）；

5.3、避免干擾輻射。 電動(dòng)機(jī)和變頻器之間電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜，并與其他弱電信號(hào)在不同的電纜溝分別敷設(shè)，避免輻射干擾；

5.4、變頻器正確的接地。 正確的接地既可以使系統(tǒng)有效地抑制外來(lái)干擾，又能降低設(shè)備本身對(duì)外界的干擾。變頻器使用專(zhuān)用接地線，且用粗短線接地，鄰近其他電器設(shè)備的地線必須與變頻器配線分開(kāi)，使用短線，這樣能有效抑制電流諧波對(duì)鄰近設(shè)備的輻射干擾；

5.5、縮短線路長(zhǎng)度。 縮短線路長(zhǎng)度，電源線和信號(hào)線單獨(dú)敷設(shè)，避免交叉，不能避免時(shí)，必須垂直交叉，絕對(duì)不能平等敷設(shè)，信號(hào)線屏蔽層不接到電機(jī)或變頻器的，而應(yīng)該接到控制線路的公共端；

5.6、線路分開(kāi)。 因電源系統(tǒng)內(nèi)有阻抗

所以諧波負(fù)荷電流將造成電壓波形的諧波電壓畸形。把產(chǎn)生諧波的負(fù)荷的供電線路和對(duì)諧波敏感的負(fù)荷供電線路分開(kāi)

線性負(fù)荷和非線性負(fù)荷從同一電源接口點(diǎn)PCC開(kāi)始由不同的電路饋電，使非線性負(fù)荷產(chǎn)生的畸變電壓不會(huì)傳導(dǎo)到線性負(fù)荷上去。

5.7、加裝無(wú)功功率靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置。 對(duì)于大型沖擊性負(fù)荷，以獲得補(bǔ)償負(fù)荷快速變動(dòng)的無(wú)功需求，改善功率因數(shù)，濾除系統(tǒng)諧波，減少向系統(tǒng)注入諧波電流，穩(wěn)定母線電壓，降低三相電壓不平衡度，提高供電系統(tǒng)承受諧波能力。而其中以自飽和電抗型SR型

的效果最好，其電子元件少，可靠性高，反應(yīng)速度快，維護(hù)方便經(jīng)濟(jì)，且我國(guó)一般變壓器廠均能制造。

5.8使用濾波模塊組件。 目前市場(chǎng)上有很多專(zhuān)門(mén)用于抗傳導(dǎo)干擾的濾波模件或組件。這些濾波器具有較強(qiáng)的干擾能力，同時(shí)還具有防用電器本身的干擾傳導(dǎo)給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能，對(duì)各類(lèi)用電設(shè)備有很多好處。

結(jié)束語(yǔ)：本文從變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手，分析了變頻器諧波產(chǎn)生的原因和危害，在此基礎(chǔ)上提出了抑制諧波常用的方法。相信隨著電力技術(shù)及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在治理諧波上將會(huì)邁上一個(gè)新的抬價(jià)。

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