变频器的谐波危害及解决措施

第一篇：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

第二篇：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。

第三篇：危害谐波变频电源及解决措施

危害谐波变频电源及解决措施

来源：直流电源http://www.xiexiebang.com

变频电源问题的变速驱动器在工业领域中的应用，与传统的机械变速相比，变频电源控制有很多优点，被广泛采用，但由于可变频率逆变器电路中，为形成一个负载一个典型的非线性，可变频率的电源中的字段通常和其他设备在同一时间运行，如计算机和传感器，这些设备的电源的开关特性通常安装非常接近，这可能会导致相互影响。因此，变频电源与电力电子器件的主要公共电网的谐波源之一，电能质量有着重要的影响。供电系统中的非正弦周期电的傅哩噎系列分解，除了得到相同的基频分量和电网的谐波，但也获得了一系列的基频分量的定义是大于电网，电源称为谐波。比基波和谐波频率（N = fn/f1）称为谐波次数。有时非谐波（非谐波）或分数谐波。谐波实际上是一种干扰，使权力的“污染”，电能质量恶化。谐波电工领域发生，传输，测量，危害和抑制的主要研究，其频率范围一般为2≤N≤40。电气设备生产过程中，两个谐波对公用电网谐波电流和谐波电压在公共供电网络上被称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要谐波源，如电力电子转换器的设备，通信控制器和电弧炉，感应炉，荧光灯，变压器等。的根本原因是由于非线性负载引起的谐波。当电流通过负载时，的关系不是线性的与所施加的电压，在非正弦电流的形成，导致谐波。谐波频率的基波频率的整倍数，根据法国数学家傅里耶（M.Fourier）的任何重复的波形，可以分解成正弦波成分分析原理包含多个基波的谐波的基本频率和一系列。谐波正弦波，每个谐波的频率，振幅和相位是不同的。谐波可以分为偶数和奇次谐波。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被淘汰，只有奇次谐波的存在，导致奇次谐波的危害比谐波更多。电气设备的工业企业，在中国有越来越多的谐波，如DC晶闸管电路供电的起重机械，交-交变频器，轧钢机直流传动装置，晶闸管串级调速的风扇和水泵和冶炼电弧炉。这些设备使用电流不是正弦曲线，系统电压失真的谐波分量。在谐波源设备本身的特征和工作条件的高次谐波电流被确定，而不管网络参数，所以它可以被视为一个恒定电流源。所有种晶闸管电路和电路形式所产生的谐波，称为电路的特征谐波。除了特征谐波，在三相电压不平衡，触发脉冲不对称或不稳定的工作状态，该电路可以产生非特征谐波。谐波分析和计算最显着的特征谐波，5，7，11，13。如直流电流纹波，5次谐波的幅值会增加，其余部分的谐波振幅值将被减小。当电源被连接有多个谐波源，由于相位均匀的高次谐波电流成分的谐波源是不同的，将是小于的各个组成部分的算术和。变压器磁化电流的含3，第5，第7和第二高次谐波分量等。由于变压器的初级和次级绕组的角度连接的一组，提供了一条路径的3次谐波，所以3的高次谐波电流不流入电网。但是，当励磁电流的不平衡，3次谐波（高达20％）的残差分量注入电网。三，电力系统谐波的危害，谐波的危害主要有以下几个方面：

（1）增加的运输，供应和使用的电气设备的额外损失，使设备过热的温度，降低利用效率和经济效益设备

（2）在对传输线的：增加的能量损失的高次谐波电流的传输线的谐波的影响。当谐振谐波频率注入电网位于网络内的共振点附近，会导致传输线和电力电缆线路的绝缘击穿。

（3）在变压器上的谐波的影响：谐波电压的变压器的磁滞损耗，涡流损耗和绝缘的电场强度，存在的谐波电流增加铜损。具有不对称负载的变压器，将大大增加励磁电流的谐波分量。危害谐波变频电源和解决措施（2）（4）电力电容器上的谐波的影响：在所述电容器两端的电压谐波，电容器是非常小的电源谐波阻抗，高次谐波电流被叠加在电容器是根本，电容电流增大，温度升高，寿命缩短，甚至爆炸电容器的过载，谐波也可能是在配合引起的电容器在电力系统中的电力谐波，故障加重。（5）影响继电保护和自动装置的工作可靠性，特别是对电磁继电器，电力谐波经常会导致继电保护和自动装置误动或误动，动作失去选择性，可靠性低，容易造成系统事故，燕中巍和电力系统的安全运行。（6）的通信系统的干扰：电力线通过的大振幅低频谐波电流奇数通过磁耦合，会产生干扰电压电力线附近，干扰通信系统中的通信线路，影响通信线路呼叫的清晰度，即使在极端情况下，也威胁到通信设备和人员的安全。（7）电气设备的影响：电力谐波会使的图形失真电视，电脑，屏幕亮度起伏变化，使机器元件的温度过热，计算机和数据处理系统错误，严重时甚至会损坏机器。此外，电力谐波的不利影响将是测量和测量仪器的指示是不准确的，整流装置，它已成为一种扰民的电流在电力系统中的质量。四，谐波治理谐波问题，抑制辐射干扰和电源系统的干扰，可采取屏蔽，接地，隔离和滤波技术。控制高次谐波的主要措施是：增加系统容量，提高电源的电压电平增加的脉冲数转换器的移动设备的操作模式，以改善系统，设置交流滤波器可以减少系统中的谐波分量。AC滤波器由无源滤波器和有源电力滤波器2。有源滤波器是一种注入谐波电流补偿系统，有源滤波器来补偿非线性负载产生的谐波电流的。它可以是快速的动态跟踪补偿谐波发生变化，并通过系统的阻抗的补偿性能不会受到影响。它的结构是比较复杂的，损失大，设备成本高，在补偿谐波同时，也将注入新的谐波。无源滤波器（LC滤波器）是使用LC共振原理，人为地引起的串联谐振电路具有极低的阻抗，信道作为主谐波以进行过滤，所以注入到电网。LC滤波器具有结构简单的优点，谐波吸收效果是显而易见的，但仅在的固有振动频率的谐波补偿效果好;及补偿特性受电网阻抗大时，在一个给定的频率，可能会发生在并联谐振或电网阻抗和LC滤波器之间的串联谐振。五，审查的无功功率补偿，谐波抑制技术，是当前和今后相当长的一段时间，以缓解电力供应和需求之间的矛盾，提高电源的质量，广泛使用的有效手段之一，可以带来巨大的经济效益和良好的社会效益，为国家和用户。谐波产生变频电源控制在最小的范围内，达到科学合理的利用，抑制电网的污染，改善电能质量。

第四篇：变频器的谐波危害及其治理措施

变频器的谐波危害及其治理措施

变频器

谐波

危害

治理 引言

在工业调速传动领域中，与传统的机械调速相比，使用变频器调速有诸多优点，故其应用非常广泛，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。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。

变频器是工业调整传动领域中应用较为广泛的设备之一。变频器是把工频（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，整流电路将交流电转换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。由于变频器逆变电路的开关特性，对供电电源形成了一个典型的非线性负载。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。

谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常也称为高次谐波，而基波是指其频率与工频相同的分量。就电力系统三相交流发电机发出的电压来说，可以认为其波形基本上是正弦量，即电压波形基本上无直流和谐波分量。但由于电力系统中存在着各种各样的谐波源（谐波源是指向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备），特别是变流装置等设备。其中变频器的输入侧产生谐波的机理是：凡是在电源侧有整流回路的都产生因其非线性引起的谐波。而变频器输出侧产生谐波的机理是：在逆变电路中，对于电压型电路来说，输出电压是矩形波。对电流型电路来说，输出电流是矩形波。矩形波中含有较多的谐波，对负载会产生不利影响，因此即使电力系统中电源的电压是正弦波，也会由于非线性元件的存在使得电网中总有谐波电流或电压的存在。因此电网谐波的存在主要在于电力系统中存在各种非线性元件。

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

● 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。

● 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。

● 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，严重时甚至损害机器。谐波的治理措施 治理谐波问题，抑制辐射干扰和对供电系统的干扰，可采取屏蔽、隔离、接地及滤波以及加装吸收装置等技术手段。

附图 1588-P01变频器进线侧波形对比

注：附图中接近梯形的图形为变频器进线电流波形图，另外的锯齿状图形为频谱图。

(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)安装谐波吸收装置

2008年我公司聚酯装置大修期间改造应用的是EP-2500和EP-2000谐波吸收装置，将其并联安装在变频器进线侧，这种谐波吸收装置是一种无源类型的，EP装置内置的多通道频谱仪并联在电路中连续不断地监测系统中电流或电压的每一状态，当呈现电压谐波时，低通滤波器就起拉长和吸收的作用。当出现一个瞬时的高压瞬变或浪涌时，MOV（金属氧化物变阻器）就将它箝位在正弦波形峰值的水平上。这个箝位作用产生的能量是由箝位的电压和瞬变电压的峰值的差值、MOV(金属氧化物变阻器)的阻抗以及瞬变的持续时间来决定的，EP-2500可承受60万焦耳的能量。EP装置阻隔并吸收掉电路中的高次谐波，又不干扰其他设备，使设备安全运行，保护了设备，使其寿命延长。当消除谐波后，势必会减少导体的集肤效应，避免导体的温度升高，减少了不必要的能耗，从而有效的节约电能。

2009年3月份聚酯装置开车后，新改造的EP谐波装置也随即投入运行使用，我们采用日本横河DL750（采样点500万个）波形记录仪对使用效果进行了对比调查试验，现选取1588-P01变频器的数据来看实际的应用效果, 其电机及变频器参数为：

电机：1LA6 316 4AA60-Z，160kW，275A，400V/△，1485r/min；

变频器：6SE7032-6EG80-Z 180kVA。

仪器检测的波形如下附图所示:

从附图可以看到：

● 从安装前与安装后的波形图来看，正弦波上的高次谐波造成的毛刺现象基本消除，EP装置不仅起到了电压嵌位作用，并且把难以消除的高次谐波基本吸收掉（消除99%的高次谐波分量）； ● 从安装前与安装后的频谱图来看，高于50Hz的谐波噪声得到有效的抑制，达到-40db的衰减，250Hz～650Hz的电压畸变率衰减了60%以上，而1000Hz以上的频谱相当平直，电压畸变率几乎为零；

● 从PET变电所变压器出口端进行测量对比，所得到的波形图和频谱图也有相当改善。经济效益评价

谐波电流在电网中流动会产生有功功率损失，它构成了电网线损的一部分，对电网的经济运行很不利。谐波源外送的谐波有功功率是由从电网吸收的基波有功功率的一部分转化而成的，由此减少了电网可用容量，同时谐波功率本身即构成了经济损失。

为了计量加装EP装置的节能效果，我们对变频器的相关参数进行了跟踪，目的是测量1588-P01的实际耗电量，所测得的数据如表1、2所示：（测量期间工艺生产已稳定，电机转速只做微调，27±2Hz附近调节）

节能效果：E=（W1-W2）/W1×100%= 4.6% 上述数据采集的是改造项目中一台典型的变频器数据，此次聚酯装置改造共包括16台EP装置，这样计算下来，节能效果是很可观的。结束语

综上所述，可以清楚地了解谐波产生的原因，在具体治理措施上可以采用无源滤波器、有源滤波器，EP谐波吸收装置等来减少回路阻抗，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、节约能源、提高电源质量的目的。

金建新

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第五篇：变频电源的谐波危害及解决措施

变频电源的谐波危害及解决措施

作者：华腾开元 发表时间：2010-2-3 17:11:29 阅读：次

一、变频电源应用中的问题

在工业调速传动领域中，与传统的机械调速相比，用变频电源调速有诸多优点，应用非常广泛，但由于变频电源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，变频电源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，以变频电源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。供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics）或分数谐波。谐波实际上是一种 干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般 为2≤n≤40。

二、谐波的产生过程

向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，例如带有功率电子器件的变流设备，交流控制器和电弧炉、感应炉、荧光灯、变压器等。

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。谐波可以区分为偶次与奇次谐波。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。我国工业企业也越来越多的使用产生谐波的电气设备，例如晶闸管电路供电的直流提升机、交-交变频装置、轧钢机直流传动装置、晶闸管串级调速的风机水泵和冶炼电弧炉等。这些设备取用的电流是非正弦形的，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与电网参数无关，故可视为恒流源。各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形式有关，称为该电路的特征谐波。除特征谐波外，在三相电压不平衡，触发脉冲不对称或非稳定工作状态下，上述电路还会产生非特征谐波。进行谐波分析和计算最有意义的是特征谐波，如果5，7，11，13次等。如直流侧电流波纹较大，则5次谐波幅值将增大，其余各次谐波幅值将减少。当电网接有多个谐波源时，由于各谐波源的同次谐波电流分量的相位不同，其和将小于各分量的算术和。变压器激磁电流中含有3，5，7等各次谐波分量。由于变压器的原副边绕组中总有一组为角形接法，为3次谐波提供了通路，故3次谐波电流不流入电网。但当各相

激磁电流不平衡时，可使3次谐波的残余分量（最多可达20%）进入电网。

三、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：（2）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。

（3）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。（4）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。（5）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。（6）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。（7）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。

四、谐波治理

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。治理谐波的主要措施有：加大系统短路容量；提高供电电压等级；增加变流装置的脉动数；改善系统的运行方式，设置交流滤波器等都能减小系统中的谐波成分。交流滤波器又分为无源滤波器和有源滤波器两种。有源滤波器是一种向系统注入补偿谐波电流，以抵消非线性负荷所产生的谐波电流的能动式滤波装置。它能

对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，且补偿特性不受系统阻抗影响。其结构相对复杂，运行损耗较大，设备造价高；在补偿谐波的同时，也会注入新的谐波。无源滤波器(又称LC滤波器)是利用LC谐振原理，人为地造成一条串联谐振支路，为欲滤除的主要谐波提供阻抗极低的通道，使之不注入电网。LC滤波器结构简单，吸收谐波效果明显；但仅对固有频率的谐波有较好的补偿效果；且补偿特性受电网阻抗的影响很大，在特定频率下，电网阻抗和LC滤波器之间可能会发生并联谐振或者串联谐振。

五、综述

无功功率补偿, 谐波治理技术是当前乃至今后相当长的时期内, 缓解电力供需矛盾, 改善供电质量的一种行之有效的手段之一, 经广泛推广应用后, 能为国家和用户带来巨大的经济效益和良好的社会效益。将变频电源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。