变频器的谐波危害及解决方法

变频器的谐波危害及解决方法

耿鑫

辽宁港口集团营口港务股份有限公司股份机械分公司

摘要：本文根据谐波产生的原理，与变频器内部的结构知识相结合，对变频器产生的原因和危害进行了分析，并以此为基础提出抑制变频器谐波的方法。

关键词：变频器； 谐波危害； 滤波器； 港口；

1引言：

随着工业控制技术和IGBT技术的快速发展，变频调速技术在电机控制方面也得到了快速发展。利用变频器控制电机，不但控制精度高，而且节能效果显著，调试维护方便，被广泛应用于各行各业。其中，适量采用矢量控制的变频器，因其具有优异的控制性能，被广泛应用于各个港口大型起重设备上。在营口港，大型装卸机械如门机、天吊、龙门吊、场桥、岸桥等全部都采用变频器驱动电机的方式，覆盖了从11KW至440KW容量范围内各个型号的变频器。在提高作业效率、降低能源消耗方面取得了令人满意的效果。然而，人们在享受变频器诸多优点的同时，变频器对电网产生的谐波干扰问题也逐渐被人重视。世界很多国家对电网电能质量方面都有严格的要求。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。因此如何做好变频器的谐波抑制工作成为港口技术人员需要重点关注的问题。下面就营口港在变频器谐波抑制方面采取的措施，从变频器谐波产生的原理开始，进行了详细阐述。

2变频器原理及其谐波的产生

变频器因其具有控制精度高，维护方便的特点，在港口大型起重机械上得到广泛应用。变频器一般采用是交—直—交结构，在工作时按照调速需要把工频（50HZ）变换成各种频率的交流电源，以实现对电机的精确控制。其中控制电路主要对主电路进行控制，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。交—直—交结构的变频器控制原理如下图1：

图1交－直－交结构变频器原理图

变频器利用电机的转速和电源的频率呈线性关系的原理，将50Hz 的工频电通过整流和逆变转换为频率可调的交流电源。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。

从结构上变频器可以划分为直接变频器和间接变频器。目前应用最广泛的是间接变频器，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2所示：

图2 谐波示意图

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。如图3a所示，把 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。

图3PWM控制基本原理

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组功率元件的导通和关断，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。

3谐波的危害

当变频器容量较小时，产生的谐波对电网的电能质量的影响也较小变频器容量越大时，产生的谐波对电网的电能质量的影响也就越大。电网受到谐波污染后会导致电网内的用电设备的环境恶化，电网周边的通信系统和电网之外的用电设备也会受到谐波干扰带来的危害。

对于容量较小的变频器，产生的谐波对电网的电能质量影响不大，但对于容量较大的变频器其产生的谐波污染就无法忽视，谐波对电网的污染会导致使用电设备所处的环境恶化，同时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以下几个方面：

（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。

（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。对电机的影响除产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声外，还会产生过电压；对于断路器，当电流波形过零点时，由于谐波的存在可能造成高的di/dt，这将使断路器分断困难，并且延长故障电流的切除时间。

（3）谐波使电网中的电容器产生谐振。工频下，系统装设的各种用途的电容器其电路比系统中的感抗要大得多，不会产生谐振，但谐波频率时，感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备被烧毁。

（4）谐波引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述危害大大增加，甚至引起严重事故。

（5）谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差；谐波对其他系统及电力用户危害也很大：如对附近的通信系统产生干扰，轻者出现噪声，降低通信质量，重者丢失信息，使通信系统无法正常工作；影响电子设备工作精度，使精密机械加工的产品质量降低；设备寿命缩短，家用电器工况变坏等。

由于变频器产生的谐波对造成电网电能质量下降，从而影响到整个电力系统的用电环境，覆盖范围防范，因此有必要变频器的谐波进行抑制。对变频器谐波抑制的研究需要上升到从治理环境污染、维护“绿色电网”的角度来认识，对电力系统这个环境来说，无谐波就是"绿色"的主要标志之一。在工控领域， "绿色工控"正成为当前技术人员研究的热门问题。

4抑制谐波的措施

变频器能够实现满足港口起重设备对控制精度的要求，但是变频器在工作时产生大量非线性谐波会对电网造成污染，降低了电能质量。由于国家和社会对电网电能质量标准越来越高，，因此需要所有企业采取技术手段，做好变频器的滤波工作。

抑制谐波的总体思路有3个：1、装置谐波补偿装置来补偿谐波；2、对电力系统装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控为1；3、在电网系统中采用适当的措施来抑制谐波。具体方法有以下几种：

1.选用适当的电抗器。

（1）输入电抗器。在电源与变频器输入侧之间串联交流电抗器，如下图4所示，这样可使整流阻抗增大来有效抑制高次谐波电流，减少电源浪涌对变频器的冲击，改善三相电源的不平衡性，提高输入电源的功率因数（提高到0.75-0.85），这样进线电流的波形畸变大约降低30%~50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。

图4变频器输入侧串入串入电抗器

输入交流电抗器需在以下条件下使用：

a) 变频器所用之处的电源容量与变频器容量之比为10：1 以上；

b) 同一电源上接有晶闸管设备或带有开关控制的功率因数补偿装置；

c) 三相电源的电压不平衡度较大（≥3％）；

由于交流电抗器体积较大，成本较高，变频器功率＞30kW 时才考虑配置交流电抗器。

（2）在直流环节串联直流电抗器。直流电抗器串联在直流中间环节母线中（端子+，-之间）。主要是减小输入电流的高次谐波成分，提高输入电源的功率因数（提高到0.95）。此电抗器可与交流电抗器同时使用，变频器功率＞30kW 时才考虑配置。

（3）输出电抗器（电机电抗器）。由于电机与变频器之间的电缆存在分布电容，尤其是在电缆距离较长，且电缆较粗时，变频器经逆变输出后调制方波会在电路上产生一定的过电压，使电机无法正常工作，可以通过在变频器和电机间连接输出电抗器来进行限制，如图5所示：

图5变频器输出侧串入电抗器

2.选用适当滤波器。

在变频器输入、输出电路中，有许多高频谐波电流，滤波器用于抑制变频器产生的电磁干扰噪声的传导，也可抑制外界无线电干扰以及瞬时冲击、浪涌对变频器的干扰。根据使用位置的不同可以分为输入滤波器和输出滤波器。输入滤波器有2 种，线路滤波器和辐射滤波器：

（1）线路滤波器串联在变频器输入侧，由电感线圈组成，通过增大电路的阻抗减小频率较高的谐波电流；在需要使用外控端子控制变频器时，如果控制回路电缆较长，外部环境的干扰有可能从控制回路电缆侵入，造成变频器误动作，此时将线路滤波器串联在控制回路电缆上，可以消除干扰。

（2）辐射滤波器并联在电源与变频器输入侧，由高频电容器组成，可以吸收频率较高具有辐射能量的谐波成分，用于降低无线电噪声。线路滤波器和辐射滤波器同时使用效果更好。输出滤波器串联在变频器输出侧，由电感线圈组成，可以减小输出电流中的高次谐波成分，抑制变频器输出侧的浪涌电压，同时可以减小电动机由高频谐波电流引起的附加转矩。注意输出滤波器到变频器和电机的接线尽量缩短，滤波器亦应尽量靠近变频器。输出滤波器从结构上分LR 滤波器单元和LC 滤波器单元两种类型，如图6所示。

图6 变频器输出滤波器结构

除传统的LR,LC 滤波器还在应用以外，当前抑制谐波的重要趋势是采用有源电力滤波器，它串联或并联于主电路中，实时对电流中高次谐波进行检测，根据检测结果输入与高次谐波成分具有相反相位电流，达到实时补偿谐波电流目的，从而使电网电流只含基波电流。它与无源滤波器相比，具有高度可控性和快速响应性，且可消除与系统阻抗发生谐振危险，但存在容量大，价格高的特点。 对于工作性质是节能性的（同时有调节作用）大容量的电动机，如酮苯两台132KW 的电动机（酮苯泵360 和312），为了改善电机的运行工况，降低发热量，应考虑单独串联加装电抗器。

对于工作电流较大（基本运行在额定容量下）的电动机如三催化五台132～160KW（三催花JG1～JG5），为了减少电机的发热量、降低运行电流，使电气元件的运行可靠度提高（空开、断路器），应单独串联加装电抗器和滤波器。

对于类似于酮苯过滤机变频器（酮苯过滤301～313，401～406）这样的小容量、多台安装的变频装置，单独增加滤波设备显然投入太大，且现有空间有限，则应考虑在低压母线上直接安装有源滤波器。

3.采用多相脉冲整流。

在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下，可采用多相整流的方法。12 相脉冲整流的畸变大约为10%～15%，18 相的为3%～8%，完全满足国际标准的要求。其缺点是需要专用变压器，不利于设备的改造，成本费用较高；

4.开发新型的变频器。

现在许多厂家提出生产名为“绿色变频器”该变频器品质标准：输出和输入都为正弦波，输入功率因数可控，带任何负载都能使功率因数为1，可获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有效抑制谐波，同时可以保护整流桥不受电源电压瞬间尖波影响。

5.选用D-YN11 接线组别的三相配电变压器。

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和“11”连接以保证相电动势接近于正弦形，从而避免了相电动势波形畸变的影响。此时，由地区低压电网供电的220V 负荷，线路电流不会超过30A，可用220V 单相供电，否则应以220/380V 三相四线供电；目前我厂部分变压器（6000V/400V）变压器的接线方式为Y/Y0－ 12 方式，今后如果需要在这些变压器下大批量增加变频装置，则需要考虑更换变压器以减少谐波对6000V 系统的影响。

减少或削弱变频器谐波的方法还有：

（1）当电机电缆长度大于50 米或80 米（非屏蔽）时，为了防止电机启动时的瞬时过0 电压，在变频器与电动机之间安装交流电抗器；

（2）当设备附近环境有电磁干扰时，加装抗射频干扰滤波器

（3）使用具有隔离的变压器，可以将电源侧绝大部分的传导干扰隔离在变压器之前；

（4）合理布线，屏蔽辐射，在电动机与变频器之间的电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆，并和其他弱电信号线分走不同的电缆沟敷设，降低线路干扰，变频器使用专用接地线；

（5）选用具有开关电源的仪表等低压电器；

（6）在使用单片机、PLC 等为核心的控制系统中，在编制软件的时候适当增加对检测信号和输出控制部分的信号滤波，以增加系统自身的抗干扰能力。

目前，营口港区所有的大型装卸设备全部利用变频器控制系统，这些设备均已安装电抗器、滤波器等消除谐波的设施，效果令人满意。随着工控技术的发展和创新，对变频器的谐波抑制方面的要求也会越来越高，如何利用更加合理性有效的滤波技术对变频器进行滤波，仍然是技术人员需要重点关注的问题。

5结论

变频调速的应用提升了电机控制水平，但由此带来的谐波不但会对电网产生污染，而且还对设备稳定可靠运行带来潜在威胁，因此如何才能最大限度的抑制变频器谐波产生仍是摆在现今电气技术工作者面前有待解决的最大课题。本文从谐波的概念入手，分析变频器谐波产生的原因及其危害,在此基础上提出了几种抑制谐波的方法，取得了较好的效果，满足了生产要求。