变频器谐波的危害及防治

何 钦， 张志山(武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430023)

0 引言

随着经济的飞速增长和工业生产的迅猛发展，生产工艺的控制要求越来越复杂化、精细化，大量非线性用电设备已经被广泛应用在生产生活中，例如采用变频器驱动的电动机系统，因其节能效果显著、调节方便、维护简单而在工业上得到了广泛应用。但是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，使得这些设备的利用在给生产生活带来便利的同时，也产生了大量的谐波，威胁着用电安全，如何对变频器谐波进行防治也越来越被人们所关注。作，控制输出方波的幅度与脉宽，使之叠加为符合控制所要求频率近似正弦波的交流电，来驱动交流电动机，同时实现对电动机电流、电压等方面的电气保护。

图1 交-直-交型变频器原理图

1 概述

1.1 变频器的工作原理

目前市面上应用最普通的交-直-交型变频器通常分为4部分:整流单元、储能元件、逆变单元和控制单元，如图1所示。其主要工作原理是首先通过整流单元将工作频率固定的交流工频电源转换为直流电源，并且将电能储存在储能元件内，接着再由逆变单元内大功率开关晶体管阵列组成的电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波，最后再通过控制单元按设定的程序工

1.2 变频器谐波的产生

在电力的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。特别是变频器，无论是哪一类型的整流方式，都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，和其电流不随着电压同步变化的非线性的电压-电流特性，使得它在运行时从电网中吸取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沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，产生谐波。

研究表明，变频器在运行过程中会产生相当数量的谐波，特别是目前最常用的6脉动变频器，其5、7次谐波相当明显，甚至可以达到基波电流的50%以上，足以对电网产生严重的影响。

1.3 变频器谐波的危害

谐波电流和谐波电压的产生会使电气设备所处的电网环境恶化，造成严重的危害，主要表现如下［1］:

(1)增加线路损耗。由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加，谐波电流会使输电线路的附加损耗增加，造成电能的浪费。

(2)影响各种电气设备的正常运行。对于发电机和旋转电机，谐波会产生附加功率损耗、发热、降低使用寿命、产生异常的机械振动和噪声;变频器轻载时还会在电机端产生尖峰电压，破坏电机和电机线缆的绝缘;谐波还会加速电容器的老化，使电容器的附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命，甚至在一定条件下还会发生谐振，放大谐波电流，影响用电安全。

(3)影响继电保护和自动装置的工作和可靠性。谐波对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这些按负序(基波)量整定的保护装置，一般整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰，则会引起保护装置发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。

(4)干扰信号和影响控制精度。变频器所产生的高频谐波会在沿着线缆传输的同时，对周边的信号产生电磁干扰，如传感器、仪器仪表等，轻者会产生噪声，影响信号传输的质量，重者会直接造成信号丢失或者误动作，带来极大的生产和人身安全隐患。

2 变频器谐波的防治方法

目前变频器谐波的常用防治方法主要有如下几种。

2.1 区分和隔离谐波源

将变频系统的供电电源和其他设备的供电电源相互独立，或者在变频器和其他设备的电源处安装隔离变压器，从源头切断谐波对供电系统内的其他设备的干扰，这种方法能将谐波污染控制在一定的范围内，防治谐波扩散的效果明显，但是也存在一些缺点，一是供电系统较复杂，工程投资较大，二是无法解决自身作为谐波源时对下端设备的谐波干扰问题，一般在医疗卫生、电子仪器制造等对电网谐波含量控制要求高的行业应用较为广泛。

2.2 使用低谐波的绿色变频器

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12脉冲、18脉冲或者24脉冲的整流，以减少谐波含量。(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。

下面以整流电路的多重化为例进行具体说明。

整流装置是变频器的主要谐波源之一。理论分析表明，整流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为pk±1和pk(p为整流相数或脉动数，k为正整数)［2］。当脉动数由p=6增加到p=12时，可以有效消除幅值较大的低频项(其特征谐波次数为12k±1)，从而大大地降低了谐波电流的有效值，如图2、图3所示。

通过图2和图3的对比可看出，变频器由6脉冲增加为12脉冲时，其最主要的谐波次数由5、7次变为11、13次，最大次数谐波含量由50%减至约10%，总体谐波含量也大大降低，抑制谐波的效果非常明显。

2.3 增装动态无功补偿装置

在技术经济分析可行的条件下，可以在谐波源处装设动态无功补偿装置:静止无功补偿装置或更先进的静止同步补偿装置，以获得补偿负荷快速变动的无功需求、改善功率因数、滤除系统谐波、减少向系统注入谐波电流、稳定母线电压、降低三相电压不平衡度等，提高供电系统承受谐波的能力。

2.4 加装滤波装置

目前工程上普遍采用的谐波防治方式是在变频器的输入、输出端串联电抗器或者有源、无源滤波器来抑制高次谐波，通过合适的滤波器的选型和安装位置的选择，可以有效抑制谐波，将其含量控制在允许范围内，具体方法有以下几种:

(1)有源滤波器。有源滤波器能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行动态跟踪补偿，目前并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。其主要优点是可以动态滤除各次谐波，对系统内的谐波能够完全吸收，谐波治理的效果好，而且不会产生谐振;但是由于其造价相对较高，并且受硬件限制，单套容量小，运行的可靠性不及无源滤波器，这些缺点都限制了其普及使用。

(2)无源滤波器。无源滤波器也称为LC滤波器，是一种比较传统的谐波补偿装置，主要由电容器、电抗器和电阻按适当的参数组合而成，与谐波源并联运行。它除了可以滤除谐波，还可以提高功率因数，具备结构简单，投资低，可靠性高，运行费用低等优点。

相比于有源滤波器而言，由于它的回路形式和元件参数固定，补偿特性不可控，一般只能过滤一种谐波成份，如果要过滤不同的谐波频率，则要用不同的LC滤波器进行组合，增加了设备投资。同时随着时间的推移，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。所以一般用于谐波次数已知，电网条件变化不大的场所。

(3)输入端交流、直流电抗器。在变频器的输入端串联电抗器，可以降低主电源谐波、浪涌和峰值电流，提高低频传导抗干扰性，保护驱动机构的电力电子元件，提高功率因数，防止主电源的电压尖脉冲引起的跳闸等，同时可以抑制变频器反馈给供电电网的谐波幅值和含量。很多进口品牌的变频器都采取了内置输入电抗器的做法，来减少变频器对电网的谐波污染，同时也起到对接收的电网电能进行清洁的作用。

(4)输出端正弦波滤波器。正弦滤波器的作用是将变频器输出的PWM波转换为近似正弦波，在基波频率为50 Hz时，使用正弦波滤波器后，输出电压波形的畸变系数只有约5%。通过图4可看出，通过波形的转换所得到的输出端电压波形平稳、圆滑、畸变率低，基本不存在滤波前电压突变率很高的现象，可以从根本上解决变频器输出端的谐波和电压突变所产生的如电磁干扰、电机端过电压、电机运行噪声等问题，特别是针对含有高频开关器件的变频器，这个现象尤为明显，同时它还具有结构简单、可靠性高和容量大等优点，可以适用于绝大部分的场所。

图4 串联正弦波滤波器前、后的输出波形［3］

但是正弦波滤波器会使滤波电压产生一个电压降，当基波频率为50 Hz时，压降值约为10%;同时由于滤波器在将PWM波转换为正弦波的过程中滤除了大量的谐波成分，会导致滤波器空载时变频器会占有其额定电流5% ～7.5%的空载电流，变频器的实际负载能力将会低于额定值，存在一定的降容，在实际使用过程中，要加以注意。

(5)输出端电抗器。输出端串联输出电抗器可以用来来补偿电机长电缆运行时的耦合电容的充放电影响，避免变频器过流，增大了变频器到电动机的有效传输距离;同时输出电抗器可以有效抑制变频器的IGBT开关时产生的瞬间高电压，减少此电压对电缆绝缘和电机的不良影响，延长电机的使用寿命，特别是在长电缆和普通电机用于变频场所时。

(6)输出端du/dt滤波器。目前所有采用最新的IGBT逆变技术的变频器，都存在一个共同的问题，就是不论输出频率的大小，变频器的输出都包含电网电压1.35倍的脉冲，而且电压上升的时间非常短，结合电机电缆的容性特征，电机接线端的冲击电压甚至可能翻倍。高频冲击电压有着很严重的危害，一方面高频电压在沿电缆传输的过程中，会对周边的电气设备、仪器仪表产生电磁辐射，干扰其正常运行，另一方面冲击电压会损害电机的绝缘，缩短电机的使用寿命。

采用du/dt滤波器不仅可以抑制逆变器输出电压的尖峰值和加大电机绝缘压力的电压变化速度，同时还可以减少容性漏电流和电机电流的高频辐射，以及电机轴承电流和高频损耗。但是该滤波器存在线缆长度、通过电流、能量损耗的最大值，如果超出允许的限值，则不能采用。

在工程设计中，应该根据电机的绝缘电压水平来合理的选择du/dt滤波器，来避免高频冲击电压的不良影响。

(7)输出端EMC滤波器。目前市面上正规厂家生产的绝大部分变频器都具备EMC检测认证，不通过EMC检测是无法销售和出口的。所以变频器内部一般都内置有干扰抑制器件，使产品自身的EMC特性可以满足国标或者国际标准的要求。但是内置有干扰抑制器件的变频器一般都对运行线缆的最大长度有着严格的要求，例如ABB的变频器产品，样本中允许线缆长度一般为75 m(第一环境下)和100 m(第二环境下)，施耐德的变频器样本中允许线缆长度则为5 m和25 m。如果运行长度超过这个限值，就应该增加外部EMC滤波器来抑制变频器对周边其他设备的电磁干扰。

在外部电网可能对变频器的运行产生电磁干扰的场所，还应在变频器的电源输入端加装EMC滤波器。

2.5 采用屏蔽电缆

为了减少变频器运行时对周边设备的干扰，与变频器连接或者临近敷设的控制电缆，特别是信号电缆，都要采取屏蔽措施，最好选用专用的屏蔽电缆，然后通过两端可靠接地，来防止变频器运行时的电磁干扰。

同时，还可以使用变频器专用屏蔽动力电缆来对这种电磁干扰进行屏蔽，效果良好。但是值得注意的是，由于屏蔽电缆中的导线在流过高频电流后，会在屏蔽层上形成感应电势，感应电势会在屏蔽层内形成环形电流，损耗掉一部分能量。出于系统最大允许损耗的考虑，在不采取其他措施的情况下，屏蔽电缆的允许长度都会比非屏蔽电缆短，在工程中应该根据实际情况来选择。

2.6 其他措施

对变频器的谐波防治还应注意变频器安装时的隔离、屏蔽和接地，比如变频器的外壳应可靠接地，变频器、电机应该分别接地，用于高频辐射屏蔽的金属保护管或者电缆的金属外皮应该每一端分别接地，动力线与控制线平行敷设时应保持300 mm以上，必须靠近时尽量以正交角度跨越等方面来减少谐波和电磁干扰。

3 结语

综上所述，作为一个设计者，应该清楚地了解变频器谐波产生的原因和种类，才能有的放矢，并通过选择合理的防治方法，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。

［1］GB/T 14549—1993 电能质量 公用电网谐波［S］.

［2］颜斌，陈希有.变频器输出RLC正弦波滤波器的工程设计［J］.电机与控制学报，2002，6(3):256-260.

［3］IEC 61000-4-3—2001 电磁兼容性(EMC)第4-3部分:辐射、辐射频率和电磁场抗扰试验［S］.