变频器应用 谐波产生对电力系统影响及相应措施

第一篇：变频器应用 谐波产生对电力系统影响及相应措施

变频器广泛应用对电力系统的影响 引言

变频器主要用于交流电动机转速的调节，是理想的调速方案，随着中国经济的整体快速发展，市场对产品的要求逐步提高，变频调速以其自身所具有的调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中发挥着提高产品质量和生产效率的作用。其除了具有优良的调速性能之外，还有显著的节能效果，不仅在相关工业行业，变频家电在节约电费、提高家电性能、保护环境等方面的优势也得到了用户的普遍认可和广泛应用[1][2]。

然而变频器在节能、改善人类生活环境、提高产品质量以及提高工业自动化程度方面做出巨大贡献的同时也将产生一些负面效应。变频器产生谐波

变频器根据有无中间直流环节来分，可以分为交交变频器和交直交变频器，在交直交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分为电压源型和电流源型。交交变频器结构简图如图1所示，其只能降低频率，同时输出电压波形中含有较大的谐波，输入电流谐波严重且功率因数低，在很多应用领域，这些都是不能接受的技术缺陷，往往采用具有中间直流环节的交直交变频器。

交直交变频器结构简图如图2所示，由于交直交变频器中含有整流电路，可控硅元件的导通与关断同样会因其非线性产生谐波，从设备流出的谐波因变流器回路的种类及其运转状态、系统条件等不同产生不同的影响[3]。

2.1 谐波的产生

变频器输入部分电压主波形为正弦波，但电流波形为非正弦波，这是由整流环节及其开关元件的参数离散所引起的[4]。目前，变频器大部分采用三相桥式整流电路，输入电流的波形为三相对称的矩形波，经傅立叶级数分解为基波和6n+1次特征谐波（n=l，2，3，），但实际上由于存在换相重叠角、触发脉冲不平衡等不定因素，使得少量的非特征谐波同时存在。谐波含有率随变频器输出电压升高而减小，而基本不受其输出频率和电流的影响[7]。具体输入侧电流各次谐波的实测值见图3，可见主要是5次、7次、11次、13次等特征谐波，同时含有少量的非特征谐波[5]。

图4 电压性逆变器的输出电压

变频器逆变环节往往采用正弦脉宽调制法（SPWM）法，其输出部分线电压是正弦脉宽、幅值相等的窄矩形波，其三相的相电压是阶梯波，如图4所示，其非线性是由SPWM脉宽调制的性质所定的；电流波形和载波频率比有关，载波频率比越高，越接近正弦波，波形中会含有和载波频率相关的高次谐波，高次谐波电流对负载直接干扰，还会通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。

随着变频器在各行各业的应用面扩大，单机容量的加大和使用变频器的总容量的增大，因此谐波污染电源及对周围其他设备的影响就日益严重，甚至造成其他电子设备不能正常工作。特别是供电线路上通常连接电力电容器，很容易产生并联谐振，使整流器和其它电器设备因过电流绝缘损坏或烧坏。这样的事故近几年的发生率呈上升趋势。

2.2 变频器周围电气设备受谐波的影响

连接变频器的电源系统往往有并联有电力电容器、发电机、变压器、电动机等负载，变频器产生的高次谐波电流按着各自的阻抗分配到电源系统和并联负载．下面叙述高次谐波电流对各电器设备的影响。

（1）电力电容器

根据IEC标准规定一般电容器最大电流只允许35％的超载。实际运转时由于谐波的影响常发生严重过载。电容器阻抗随频率的增加而减少，故产生谐波时，电容器即成为一陷流点流人大量电流，导致过热、增加介电质的应力，甚至损坏电力电容器。当电容器与线路阻抗达到共振条件时，会发生振动短路、过电流及产生噪声[8]。

（2）同步发电机

变频器产生的高次谐波电流在同步发电机的激磁绕组中会产生感应电流，引起损耗增加，可能导致电机过热、绝缘降低、寿命缩短等[2]。

（3）变压器

电流谐波将增加变压器铜损，电压谐波将增加铁损，综合效果是使变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减小。谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间共振，及引起铁心磁通饱和而产生噪声。（4）电动机

谐波会引起电动机附加发热，导致电动机额外温升，电动机往往要降额使用。如果输入电动机的波形失真，会增加其重复峰值电压，影响电动机的绝缘 [2]。

（5）电力电子设备

电力电子设备在多种场合是产生谐波的谐波源，但他自身也很容易感受谐波失真而误动作。这种设备靠着电压的过零点或电压波形来控制或操作，若电压有谐波成分时，零点移动、波形改变，造成许多误动作[6]。（6）保护继电器

由于高次谐波的影响，可能引起继电器过电压、产生绝缘损坏、振动引起的机械破坏等等。对于以有效值为基准而动作的继电器，高次谐波的存在使得继电器在接近额定值处也有误动作的可能[3]。

（7）指示电气仪表

电能表等计量仪表会因谐波而造成感应转盘产生额外的电磁转矩，引起误差，降低精确度。20％的5次谐波将产生10％-15％的误差。过大的谐波电流，也很容易使仪器里的线圈损坏[8]。

2.3 变频器谐波抑制措施

对小容量的通用变频器，高次谐波很少成为问题，但当使用的变频器容量大或数量多时，往往就会产生高次谐波电流和高次谐波干扰问题，因此对于高次谐波先采取适当的对策和预防措施是非常重要的。

2.3.1 改善变频器结构

可以从变频器自身硬件结构或者整个变频系统的构建方式和设备选择等方面考虑，从根本上减少变频系统注入电网的谐波、无功等污染。（1）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[9]；

（2）在整流环节采用多重化技术，提高脉波数，可以有效地提高特征谐波次数，降低特征谐波幅值。对于大容量晶闸管变频器可以采取这种方法，利用多重化抑制流向电源侧的高次谐波[11]；

5678另外，还可以综合整流、逆变环节考虑，合理确定整流和逆变电路的开关触发角，使整流电路输入电流的三相波形尽量对称，这个方面还有待进一步的研究。不合格电能对变频器本身的影响

变频器产生谐波以及造成功率因数不平衡破坏电网的电能质量，大量变频器的广泛应用对电网造成的污染越来越严重，首当其冲的是影响到其自身的正常运行。变频器产生的谐波电流在系统阻抗上产生压降，使得其输入电压波形发生畸变，长时间运行在这样的环境下，开关损耗大大增加，开关元件寿命大大缩短，变频器很容易损坏；变频器在输入波形失真的情况下长时间运行，会导致整流环节控制失灵[6]，引起开关元件误动作，甚至在开关过程产生过电压烧坏元器件；如果不及时采取相应措施改善输入波形，不仅影响到变频器的正常工作，还会造成分别与变频器输入端和输出端连接的相关电气设备烧损。这样的实例也越来越多，在近几年的工作中已经多次目睹类似事故。结束语

大量变频器的广泛应用对电网造成的污染越来越严重，以谐波污染最为典型，其他方面的不良影响也随着对变频器的深入研究开始逐渐凸现，放任问题的严重化和扩大化而不提前采取合理有效的措施，无论从谐波治理效果还是治理成本方面考虑都是流失最佳时机。本文从硬件结构、控制策略以及外接滤波电路等三个方面提出了一系列抑制变频器谐波污染的方法和措施，变频器不同环节产生的谐波有针对的抑制措施，对于变频系统一个整体而言，综合应用各种措施对于改善变频系统的输入输出波形指标会更有效；另外本文对变频器低载时产生的输入电流不对称引起功率因数不平衡现象作了分析，并提出了相应的改善建议。

第二篇：变频器产生的谐波危害及解决方法

变频器产生的谐波危害及解决措施

变频器是工业调速传动领域中应用较为广泛的设备，由于变频器逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载。变频器在现场通常与其它设备同时运行，例如计算机和传感器，这些设备常常安装得很近，这样可能会造成相互影响。因此，以变频器为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源之一，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术自身发展的重大障碍。相关的定义

1.1 什么是谐波

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。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波可以I区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、1 4，6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为lOOHz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7，11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波。谐波定义示意图如图1所示。

1.2 谐波治理的有关标准

变频器谐波治理应注意下面几个标准: 抗干扰标准：EN50082-

1、-2，EN61800-3；

辐射标准：EN5008l-

1、-2，EN61800-3。

特别是IECl0003、IECl800-3(EN61800-3)、IEC555(EN60555)和IEEE519-1992。

普通的抗干扰标准EN50081和EN50082以及针对变频器的标准EN61800(1ECl800-3)定义了设备在不同的环境中运行时的辐射及抗干扰的水平。上述标准定义了在不同环境条件下的可接受辐射等级：L级，无辐射限制。适用于在不受干扰的环境下使用变频器的用户和自己处理辐射限制的用户。H级，根据EN61800-3确定的限制，第一环境：有限制分布，和第二环境。作为选件RFI滤波器，配置RFI滤波器可以使变频器达到商业级，通常用于非工业的环境。谐波的治理措施

治理谐波问题，抑制辐射干扰和供电系统干扰，可采取屏蔽，隔离，接地及滤波等技术手段

①使用无源滤波器或有源滤波器;

②增加变压器的容量，减少回路的阻抗及切断 传输线路法；

③使用无谐波污染的绿色变频器。

2.1 使用无源滤波器或有源滤波器

使用无源滤波器其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。而使用有源滤波器主要是用于补偿非线性负载。

传统的方式多选用无源滤波器，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。LC滤波器是传统的无源谐波抑制装置，它由滤波电容器、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，主要是容易过载，在过载时会被烧损，可能造成功率因数过引、偿而被罚款；另外，无源滤波器不能受控，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(如有的滤波器只能滤除三次谐波)，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。

国内外有多种有源滤波器，这种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(APF)理论在20世纪60年代形成，后来着大中功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制(PWM)控制技术的进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，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，即其工作靠数字信号处理(DSP)技术控制快速绝缘双极晶体管(1GBT)来完成。

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LC滤波器结构简单、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。

2.2 减少回路的阻抗及切断传输线路法

谐波产生的根本原因是由于使用了非线性负载，因此，解决的根本办法是把产生谐波的负载的供电线路和对谐波敏感的负载的供电线路分开(如图2所示)。由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其它负载，引起谐波电流在其上流过(如图3所示)。因此，减少谐波危害的措施也可从加大电缆截面积，减少回路的阻抗方式来实现。目前，国内较多采用提高变压器容量，增大电缆截面积，特别是加大中性线电缆截面，以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件等办法，但此种方式不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，又加大了投资，增加供电系统的隐患。从图2中可知，可以将线性负载与非线性负载从同一电源接口点(PCC)就开始分别的电路供电，这样可以使由非线性负载产生的畸变电压不会传导到线性负载上去。这是目前治理谐波问题较为理想的解决方案。

2.3 使用无谐波污染的绿色变频器 绿色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，它能很好的抑制谐波，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。另外，在大功率变频器中，通常使用12脉冲或18脉冲整流，这样在电源中，通过消除最低次谐波来减少谐波含量。例如12脉冲，最低的谐波是11次、13次、23次、25次谐波。依次类推，对于18脉冲，最低的谐波是17次和19次谐波。

变频器中应用的低谐波技术可，归纳如下：

①逆变单元的并联多重化，采用2个或多个逆变单元并联，通过波形叠加抵消谐波分量;②整流电路的多重化，在PWM变频器中采用121脉冲、18脉冲或者24脉冲的整流，以减少谐波;③逆变单元的串联多重化，采用30脉冲的串联逆变单元多重化线路，其谐波可减少到很小;④ 采用新的变频调制方法，如电压矢量的菱形调制等。目前，许多变频器制造厂商已非常重视谐波问题，在设计时已从技术手段上保证了变频器的绿色化,从而在根本上解决谐波问题。结论

综上所述，可以清楚地了解谐波产生的原因，在具体治理上可采用无源滤波器、有源滤波器，减少回路阻抗，切断谐波传输路径及开发使用无谐波污染的绿色变频器等方法，将变频器产生的谐波控制在最小范围内，达到科学合理用电，抑制电网污染，提高电源质量。

第三篇：PWM变频器输出过电压和谐波对电动机的影响及抑制措施

PWM变频器输出过电压和谐波对电动机的影响及抑制措施

随着电力电子技术和现代控制理论在交流变频器调速驱动系统的应用，特别是近年来，IGBT等高开关速率的电力电子器件及PWM变频调速技术的进步，变频器(或逆变器)越来越广泛地应用于工业生产和日常生活中，并且有取代直流调速传动的趋势。从目前国内看，中小容量的变频器调速系统使用的比较广泛，研制和开发技术还比较成熟，在使用的变频器中，低压变频器和100kW 以下的变频器占绝大多数，其中70％以上应用在风机泵类负载及压缩机上，如供水与供暖系统、输液系统和通风系统。在我国拖动风机泵类负载的电动机中，虽然大功率在数量上仅占20 ％，但在容量上却占80％以上。因此，大功率电动机的变频调速是现在节能措施中极为重要的手段。石化、化工、采矿、钢铁、发电及自来水厂等行业所拥有的大功率风机泵类负载节能改造对大功率变频器的需求很大，这对变频器行业来说是一急需开发的市场。但是，目前在我国变频器的生产厂家中，实际能生产大功率低压变频器的还不多，大多数厂家实际上仅能生产75kW甚至是37kW以下的变频器。研究PWM逆变器供电对异步电动机的影响，不仅可以对电机和大功率变频器的设计和应用具有现实意义，而且对电机绝缘寿命有重要意义。PWM供电对电动机的影响 PWM变频调速对异步电动机的影响有很多方面，我现在从PWM变频器对电网和对电动机这两端来看，谈以下主要两点： 1.机端过电压 PWM变频器输出的具有陡上升沿或下降沿的脉冲电压却在电动机接线端子及绕组上产生了过电压，造成电动机绕组绝缘的过早破坏，许多变频电动机寿命只有1～2年，甚至有些在试运行期间电动机绝缘就发生击穿破坏。文献[1]中试验研究表明，很高的电压上升率()在电动机绕组上产生不均匀的电压分布，随着变频器与电动机之间电缆长度的增加，在电动机接线端子上将产生近2倍高频振荡的过电压，而且电缆越长，过电压的峰值越大，长时间重复性的过电压应力的作用将致电动机绕组匝间绝缘的过早破坏。在文献[1]中，也表明变频器开关器件高的开关频率会造成上升沿时间很短，电力晶体管(GTR)和IGBT通常时间小于0.1μ,GTO常处于2-10μ,这样使电机在很短的时间内承受很高的峰值电压；有些电机制造商给出了可以接受的上升时间，一般希望上升时间大约为5μ，而且过电压和入射电压、反射电压都在tr上升时间内同时急剧增加，这对电机来讲，长时间的作用会损坏电机。在文献[2]中，PWM驱动电机的输出电压幅值和频率通过控制逆变器开关状态来改变的，高的开关频率最明显的优点是减少低次谐波，可以减少输出滤波器的容量，但过快的电压变化能够引起严重的绝缘问题，对于每个脉冲的前沿和后沿在短时间内都有高频衰减振荡，而且峰值电压的85％都降落在第一个线圈上的第一匝，易引起匝间故障。2．变频器电源的谐波 变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回路中，输出电压信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2～3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。谐波电压和电流对电动机影响更大，会增加电动机的铁耗和铜耗，使电动机温度上升，效率下降，并产生噪声，还会使电动机转子振动，甚至造成电机损坏，谐波还对通信以及电子设备产生严重干扰，影响周围设备的正常运行。同时，谐波引起电缆内耗加大，电缆发热，缩短电缆的使用寿命；而高次谐波对电容的影响更为突出，含有高次谐波的电压加至电容两端时，由于电容器对高次谐波的阻抗很小，所以电容器很容易发生过负荷导致损坏。高次谐波的干扰，往往还会导致电动机保护开关误动作，造成电网停电，严重影响用电设备的正常工作。同时，高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，对通讯设备也产生干扰信号。文献[6]中，用傅立叶分析方法把PWM变频器输出脉冲进行频谱分析，由于PWM在三相桥式逆变电路情况下，根据晶体管V1-V6的导通和截止的不同组合，三相输出端U、V、W相对于直流回路的中点0的电位分别为+E/2或-E/2,而输出线电压为+E、-E、0。经过分析，得到三相变频器输出线电压的基波和谐波幅值，谐波含量和幅值比较高，对电动机的影响比较严重。解决方案初探 1抑制谐波常用的方法 逆变器是电力电子装置中的重要组成部分，是不间断电源、交流电气传动、中频电源等许多设备的核心，因而其研究工作倍受人们的关注，研究的焦点是如何方便地调节逆变电源的输出电压和频率，并降低谐波含量，改善输出波形。迄今为止，降低谐波含量和调节输出电压（大小或频率）的常用措施有：（1）对逆变电源的开关进行高频PWM调制，使逆变器输出为高频等幅的PWM波；（2）通过改变逆变电源主电路拓扑结构，在主电路上进行波形重构以实现阶梯波形输出，减小低阶高次谐波含量； 对于高频PWM调制来说，开关频率越高，谐波含量越小，但开关损耗也越大，故不宜用在大功率逆变电源中。而波形重构方式往往需要多个逆变器来实现电压的叠加。波形重构的级数越多，出现的最低谐波次数越高，但主电路和控制电路也越复杂，相应地控制难度也越大，输出电压的调节也不甚方便，因此这种方式通常只在大功率逆变电源中采用。理论分析表明，早在1973年提出的消谐控制策略能有效地克服上述问题，它只需要较少的开关脉冲数即可完全消除容量较大的低阶高次谐波，取得很好的滤波效果，具有开关频率低、开关损耗小、电压利用率高、滤波容量小等许多优点，是实现逆变电源PWM控制的理想方法。然而该方法经过近二十年的研究至今仍未实际应用，其主要原因是消谐模型的求解复杂，难以获得实时控制。文献[5]中，提出适当的调节输出电压调制比、载波频率和逆变电路开关滞时等参数，可以减少谐波对电机的影响。以上的消除谐波多是从变频器的逆变侧出发，通过各种有效措施来减少输出的谐波含量。从谐波对电网的影响来看，治理谐波问题基本思路是：第一，对电力电子装置本身进行有效地控制，改造本身的性能，使其功率因数可控制为1，不产生谐波；第二，装谐波补偿装置来补偿谐波源，使其注入电网的谐波几乎为0.传统装设谐波补偿装置的方法是采用LC调谐滤波器，它的基本原理是利用LC串联谐振，为滤除特定次谐波提供阻抗极低的通路，使其不注入电网，同时还可以补偿无功功率。如图(1)所示，这种消谐方式结构简单，不必要控制回路，运行费用低，造价相对也较低，一直被广泛使用。这种方法主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，容易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。但是目前LC滤波器仍是补偿谐波的主要手段，而且常用单调谐和二阶高通滤波器组合来滤波，二阶高通其结构如图(1)。由于LC滤波器本身缺点，国内外都探索采用其他滤波方式来进行电网谐波抑制。有源滤波器(APF)就是一种能够弥补无源滤波器不足的新型滤波设备。它的基本原理是向系统电网注入补偿谐波电流，以抵消非线性负载所产生的谐波电流。如图(2)所示。有源滤波器基本原理可用如下一组公式来描述： , , ,，式中 表示为负载电流的基波分量； 但是有源滤波器的使用要求有较大的容量来提供足够的补偿电流。因此，文献[7]又提出了混合型有源滤波器，它的优点在于结合了无源滤波器和有源滤波器的优点，克服有源电力滤波器容量大、成本高的缺点，又可获得良好的补偿性能。无源LC滤波器典型组成可以滤除特征谐波，如5、7、9、11等，这样，绝大多数由谐波源产生的谐波已由LC滤波器滤除，有源滤波器只需要补偿LC滤波器未能补偿的谐波，因而，有源滤波器只需要提供很小的补偿电流，容量不需要很大。2．机端过电压的抑制 在电机端子上安装阻抗匹配器可以很大程度地消除过电压，最简单的是并联一个与电缆的波阻抗接近的电阻，但在电阻上功耗很大。采用阻抗匹配与滤波于一体低通滤波器，它是将电阻和电容串联后并联在电机接线端子相相之间，如图(2)要阻止机端过电压，必须正确地选择滤波器参数，对于任意容量或电压等级的变频调速系统，滤波器参数的选取应根据变频器的上升时间及幅值、电缆和电动机的波阻抗及电缆长度来确定。文献[3]中试验表明，一般来说，驱动系统的容量越大，变频器的上升时间就越长，电缆和电动机的波阻抗就越小，滤波器的参数Rf和Cf则相应减小。对于滤波电阻Rf的阻值应该与电缆的波阻抗Z0相等，而电动机的冲击阻抗(或波阻抗)远大于Z0,这样负载阻抗近似为电阻，电缆末端的负载阻抗与电缆的波阻抗相匹配，那末在电机机端就不会产生电压波的全反射，也不会形成过电压。滤波器的Rf和Cf与电动机端过电压的关系：(1)滤波器的电容值Cf越大，Rf越小，过电压倍率(上升沿处的电压峰值Vm与稳态值V之比)就越小；(2)过电压倍率随电容增加而变化幅度与Rf有关，Rf越大，过电压倍率随电容变化幅度越小，当Rf大于一定阻值时，过电压倍率随电容的增加，变化幅度很小； 滤波器的Rf与Cf与电动机端上升沿时间的关系：(1)Rf越小，上升沿时间tr就越大，且随Cf的增大而增加，但Cf超过一定值时，tr趋于饱和，与电容值无关；(2)电缆长度L越长，上升沿时间也相应增加，这样电压变化率就越小； 在文献[9]中，为了抑制电动机端电压反射现象，可采用RC一阶无源滤波器来显著减少电动机端的过电压，消除了高频阻尼震荡现象，从而避免电动机绝缘的快速老化甚至损坏。通过分析表明，电压反射现象与逆变器输出脉冲的上升时间以及电缆的长度有关，PWM上升时间越短，电缆长度越长，反射越明显。在文献[8]中提出使用新的逆变器输出滤波器的拓扑结构，能够有效减少高频谐波引起电动机轴承和绝缘损害。新的滤波器是由LC滤波器和RLC滤波网络串联构成，如图(3)LC滤波器由变频器开关频率来调谐，能够十分有效地滤掉开关频率出地电压谐波，在开关频率处阻抗为无穷大，滤波器的谐振角频率为，对于RLC滤波器而言,也要满足一定的条件。此种新的滤波器结构使输出波形比较平缓，可以降低输出脉冲的过电压和上升沿时间，相对于传统的并在电动机出口的RC滤波而言，如图(4),它能够很好的消除过电压对电机的影响。总结 从上述所讲，PWM变频器所产生的谐波和过电压对电网和对电机的影响是十分严重的，尽管目前已经提出了各种解决方法，但是对于谐波而言，所引起得一些基本概念还没有统一定义，谐波治理还停留在无源阶段，需要大量工作来使有源和混合型滤波器投入实际运行中，对于PWM输出脉冲所产生过电压问题，如何有效抑制，基本都用无源RC来抑制，对于参数的选取比较麻烦，如果寻求一种更高效防止过电压的电路，能够实时的检测PWM上升沿和下降沿，及时的补偿过电压来提高效率，减少电机的损坏和使用寿命。

第四篇：变频器的谐波危害及解决措施

变频器的谐波危害及解决措施

1、前言

在工业调速传动领域中，与传统的机械调速相比，用变频器调速有诸多优点，顾其应用非常广泛，但由于变频器逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载，变频器在现场通常与其它设备同时运行，例如计算机和传感器，这些设备常常安装得很近，这样可能会造成相互影响。因此，以变频器为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源之一，其对电力系统中电能质量有着重要的影响。

2、谐波产生的过程

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，如下图所示。

谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶（M.Fourier）分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。

3、谐波危害

对于电力系统来说，电力谐波的危害主要表现有以下几方面：

(1)增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设备的利用率和经济效益：

①电力谐波对输电线路的影响：

谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。

②电力谐波对变压器的影响：

谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损。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。

③电力谐波对电力电容器的影响：

含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电容器过负荷甚至爆炸，同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使故障加剧。

(2)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，电力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，严重威胁电力系统的安全运行。

(3)对通讯系统工作产生干扰：

电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，甚至在极端的情况下，还会威胁着通信设备和人员的安全。

(4)对用电设备的影响：

电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件温度出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，严重甚至损害机器。

此外，电力谐波还会对测量和计量仪器的指示不准确及整流装置等产生不良影响，它已经成为当前电力系统中影响电能质量的大公害。

4、谐波的治理措施

治理谐波问题，抑制辐射干扰和供电系统干扰，可采取屏蔽、隔离、接地及滤波等技术手段。

①使用无源滤波器或有源滤波器；

使用无源滤波器其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。而使用有源滤波器主要是用于补偿非线性负载。LC滤波器是传统的无源谐波抑制装置，它由滤波电容器、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。

②增加变压器的容量，减少回路的阻抗及切断传输线路法；

由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其它负载，引起谐波电流在其上流过，因此，减少谐波危害的措施也可从加大电缆截面积，减少回路的阻抗方式来实现。目前，国内较多采用提高变压器容量，增大电缆截面积，特别是加大中性线电缆截面，以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件等办法，但此种方式不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，又加大了投资，增加供电系统的隐患。

③使用无谐波污染的绿色变频器。

绿色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，它能很好的抑制谐波，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，可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下，降低变频器的载波频率。另外，在大功率变频器中，通常使用12脉冲或18脉冲整流，这样在电源中，通过消除最低次谐波来减少谐波含量。例如12脉冲，最低的谐波是11次、13次、23次、25次谐波。依次类推，对于18脉冲，最低的谐波是17次和19次谐波。

变频器中应用的低谐波技术可归纳如下：

㈠逆变单元的并联多重化，采用2个或多个逆变单元并联，通过波形叠加抵消谐波分量。

㈡整流电路的多重化，在PWM变频器中采用12脉冲、18脉冲或者24脉冲的整流，以减少谐波。

㈢ 逆变单元的串联多重化，采用30脉冲的串联逆变单元多重化线路，其谐波可减少到很小。

㈣ 采用新的变频调制方法，如电压矢量的菱形调制等。目前，许，多变频器制造厂商已非常重视谐波问题，在设计时已从技术手段上保证了变频器的绿色化，从而在根本上解决谐波问题。结论

综上所述，可以清楚地了解谐波产生的原因，在具体治理上可采用无源滤波器、有源滤波器，减少回路阻抗，切断谐波传输路径及开发使用无谐波污染的绿色变频器等方法，将变频器产生的谐波控制在最小范围内，达到科学合理用电，抑制电网污染，提高电源质量

第五篇：变频器谐波危害分析及解决措施

变频器谐波危害分析及解决措施

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.关键词：变频器 谐波 危害 抑制

前言：在工业调速传动领域中，与传统的机械调速相比，用变频器调速有诸多优点，顾其应用非常广泛，但由于变频器逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载，变频器在现场通常与其它设备同时运行，例如计算机和传感器，这些设备常常安装得很近，这样可能会造成相互影响。因此，以变频器为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源之一，其对电力系统中电能质量有着重要的影响。

一、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，变频器有交-直-交变频器和交-交变频器之分。目前应用较多的还是交-直-交变频器。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。

二、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。

（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。对发电机的影响除产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声和过电压；对断路器，当电流波形过零点时，由于谐波的存在可能造成高的di／dt，这将使开断困难，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。

三、谐波的抑制

变频器给人们带来极大的方便、高效率和巨大的经济效益的同时，对电网注入了大量的谐波和无用功，使供电质量不断恶化。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，以限制供电系统及用电设备的谐波污染。

抑制谐波的总体思路有三个：其一是装置谐波补偿装置来补偿谐波；其二是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；其三是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（图四），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。

（图四）串联交流电抗器

建议在下列情况下使用输入交流电抗器：

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（图五）。

图五 串联输出电抗器

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（图六）。

（图六）LR滤波器单元

LC 滤波器单元

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，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，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．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。

四． 结论

变频调速的应用使交流传动上了一个新台阶，但变频器谐波干扰的严重性也给设备稳定可靠运行带来潜在威胁，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,在此基础上提出了抑制谐波的常用方法，将变频器产生的谐波控制在最小范围内，达到科学合理用电，抑制电网污染，提高电源质量。