变频器谐波产生的原因与抑制措施解铁生

变频器谐波产生的原因与抑制措施解铁生

解铁生

（大唐长春第三热电厂吉林省长春市130000）

摘要：当前电力电子技术水平的提升以及大量的应用，变频器具有调速性能较强、节能效果显著以及妥全性能较高的特点，因此在工业生产得到了越来越广泛的运用。变频器谐波的产生对于系统造成很大的危害，必须采取合理的措施进行抑制，以确保设备系统的正常运行。

关键词：变频器；谐波；危害；抑制

随着电力电子技术的快速发展，采用变频器驱动的电动机系统，因其节能效果显著、调速范围广、稳定可靠、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，变频调速技术对电机与电网带来的不利影响，如损耗增加、效率降低、转矩脉动、振动和噪声增加、谐波干扰、电机温度升高、临界转速低、电机过电压等问题受到越来越多的技术人员的关注。炼钢厂大量使用变频器，抑制谐波，减少危害，成为正常生产的必要前提。

一、谐波产生的原因及其危害

1.谐波产生的原因。变频器由结构上看可分为：直接变频和间接变频两大类，无论是哪一种变频器，都大量使用了晶闸管等非线性电子元件，不管采用哪种整流方式，变频器从电网中吸收能量的方式均不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的阻抗共同形成脉动电压降加在电网的电压上，使电压发生畸变，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。根据傅立叶级数分析可知，这种非周期正弦波电流是由频率相同的基波和频率为基波倍数的谐波组成的正弦波分量。因此谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。

2.谐波带来的危害。变频器谐波的危害主要表现在以下几个方面：（1）谐波使电网中的电器元件产生附加的谐波损耗，增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低了输电及用电设备的效率。（2）由于谐波电流使开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率，使暂态恢复峰值电压增大，破坏绝缘，还会引起开关跳脱、引起误动作。（3）计量仪表因为谐波会造成感应盘产生额外转矩，引起误差，降低精度，甚至烧毁线圈。（4）对于电力电子设备通常靠精确电源零交叉原理或电压波形的形态来控制和操作，若电压有谐波成分时，零交叉移动、波形改变、并造成许多误动作。（5）变压器工作时会由于谐波电流和谐波电压的存在增加其磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，增加了变压器铜损和铁损，使变压器温度上升，影响绝缘能力，造成容量裕度减小。谐波还能产生共振及噪声。对带有非对称性负荷的变压器而言，会大大增加励磁电流的谐波分量。

（6）高次谐波由于频率增大，电容器对高次谐波阻抗减小，因过电流而导致温度升高过热、甚至损坏电容器；电容器与系统中的感性负荷构成的并联或串联电路，还有可能发生谐波共振，放大谐波电流或电压加重谐波的危害。经由电容器组电容和电网电感形成的并联谐振回路，可被放大到15倍。（7）影响继电保护和自动装置的工作可靠性：特别对于电磁式继电器来说，谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁电气系统的安全运行。

二、谐波的抑制措施

变频器给人们带来方便、高效和巨大利益的同时，也对电网注入了大量的谐波，使电能质量变差。另一方面，随着以计算机为代表的大量敏感设备的普及应用，人们对公用电网的供电质量要求越来越高，许多国家和地区已经制定了各自的谐波标准。用以限制供电系统及用电设备的谐波污染。

谐波的传播途径是传导和辐射，解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离；解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。抑制谐波的基本思路是：装设谐波滤波器，对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，在市电网络中采用适当的措施来抑制谐波。

1.装设各种滤波器。使用无源滤波器主要是改变在特殊频率下电源的阻抗，适用于稳定、不改变的系统。无源滤波器出现最早，因其结构简单、投资少、运行可靠性较高以及运行费用较低，至今仍是谐波抑制的主要手段。滤波器是传统的无源谐波抑制装置，它由滤波电LC容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除具有滤波作用外，还有无功补偿的作用。这种装置存在一些较难克服的缺点，如容易因过载而烧损。另外，无源滤波器不可受控，因此随着时间的推移，配件老化或电网负载的变动，会使谐振频率发生改变，滤波效果下降。更重要的是无源滤波器只能过滤一种谐波成份（如有的只能滤波器能滤除三次谐波），如果过滤不同的谐波频率，则要分别用不同的滤波器，增加设备投资。

2.使用有源滤波器。有源滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。有源电力滤波器得以迅速发展。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流频谱，以抵消原线路谐波源所产生的谐波，从而使电网电流只含有基波分量。其中核心部分是谐波电流发生器与控制系统，其工作靠数字信号处理（DSP）技术控制快速绝缘双极晶体管来完成。

3.使用混合式滤波器。目前，在具体的谐波治理方面，出现了无源滤波器（LC滤波器与有源滤波器互补混合使用的方式，充分发挥滤）LC波器结构简单、易实现、成本低、有源电力滤波器补偿性能好的优点，克服有源电力滤波器容量大、成本高的缺点，两者结合使用，从而使整个系统获得良好的性能。

4使用滤波模块组件。目前市场上有很多专门用于抗传导干扰的滤波模件或组件。这些滤波器具有较强的抗干扰能力，同时还具有防用电器本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能，对各类用电设备有很多好处。

5开发新型的变频器。现在已有许多厂家提出生产新型的变频器，名为“绿

色变频器”。该变频器的品质标准是：输入和输出电流都是正弦波，输入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为1，可获得工频上下任意可控的输出频率。变频器内置的交流电抗器能很好的抑制谐波，同时可以保护整流桥不受电源电压瞬间尖波的影响。实践表明，不带电抗器的谐波电流明显高于带电抗器产生的谐波电流。为了减少谐波污染造成的干扰，在变频器的输出回路安装噪声滤波器。并且在变频器允许的情况，降低变频器的载波频率。

6.隔离技术。变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立，或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器，切断谐波电流。三相变压器中把高压侧绕组接成三角形，低压绕组为星型且中性点接地以保证相电动势接近于正弦形，从而避免相电动势波形畸变的影响。

7.其它措施.减少或削弱变频器谐波的方法还有：（1）电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆，并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设，避免辐射干扰。（2）信号线采用屏蔽线，且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离至少（20cm）以上，以切断辐射干扰。（3）变频器使用专用接地线，且用粗短线接地，邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开，并使用短线。这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。（4）信号线与动力线分开配线，尽量使用双绞线降低共模干扰。（5）选用具有开关电源的仪表等低压电器。（6）采用具有一定消除高频干扰的双积分A/D转换器。（7）在使用以单片机、PLC等为核心的控制系统中，编制软件的时候适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增强系统自身的抗干扰能力。

参考文献：

[1]杨波浅谈工厂配电系统中变频器的谐波污染和治理科技致富向导。2014.

[2]刘欣变频器谐波危害分析及解决措施。现代建筑电气。2013.

[3]贾贵玺，吴海欧，张臣堂．高压变频调速技术的研究及其应用．电气传动，2013.