调速变频器的谐波产生机理及治理措施研究

邵阿红 叶永卫 田二明

（1.陕西师范大学，陕西西安 710062）

（2.山西水利职业技术学院，山西运城 044000）

（3.中北大学，山西太原 030051）

目前，在生产机械中，对电动机进行调速时，常常使用变频器.变频器在节能、提高生产效率及自动控制等方面起到了很大的推动作用.但是，变频器在电路中会产生谐波电流或谐波电压，对供电系统及相关的一些电气设备带来严重的影响.主要表现在：谐波会增加电网及用电设备损耗、危害电气设备绝缘、影响用电设备的正常运行、降低设备使用寿命、影响电能计量装置准确计量、导致继电保护装置拒动或误动等.由于谐波会带来严重的影响，因此必须对谐波加以治理，即对变频器加以改进.本文从调速变频器产生的谐波入手，分析了谐波产生的原因及其带来的危害，并对变频器谐波的治理措施进行了探讨和研究，提出了一些新的建议.

1 谐波及谐波的危害

1.1 谐波的定义

当正弦交流电通过一些非线性的元件时，会出现电流与电压不呈现线性关系的情况.这样，变频器及其周围的一些设备中会产生一些畸变电波，即整体上呈现非正弦形态的电流波或电压波，他们的波形偏离了正弦波形，用傅里叶级数可将这些畸变电波分解为：具有工频的正弦波及一些频率为工频整数倍的正弦波.具有工频的波形称为基波，而其余频率为工频整数倍的波形称为谐波.谐波是一系列不同频率的正弦电波，如果用sinwt表示基波，则谐波可以表示为sin2wt、sin3wt、sin4wt、sin5wt等等.谐波又可分为偶次谐波和奇次谐波两类：频率为工频偶数倍的谐波称为偶次谐波，频率为工频奇数倍的谐波称为奇次谐波.在一般的三相堆成供电系统中，由于堆成的原因，偶次谐波往往被消除了.所以，谐波的危害主要是由于奇次谐波造成的.

1.2 谐波造成的危害

谐波对常见的一些电气设备造成的危害如下：

1.2.1 对变压器的危害

当谐波电流或谐波电压施加在变压器上面时，会让变压器的铁损以及铜损都增大.这样，将可能会使变压器温度快速上升，导致变压器绝缘性能下降，从而也会使变压器的容量利用率减小.[1]另外，谐波在线圈以及铁芯中还能引起共振，产生噪音.

1.2.2 对交流电动机的危害

当谐波电流通过交流电动机时，电动机的铁损与铜损会增大，电动机温度也会迅速上升.另外，谐波电流通过电动机的定子线圈时，转子的电磁转矩会发生变化，出现振动力矩，电动机的转速会出现周期性的变动，引起噪声以及抖动，影响电动机的机械效率以及输出功率.[2]

1.2.3 对各类开关设备及保护设备的危害

开关设备在通断的瞬间出现谐波电流时，整个电路中的电流变化率会变化很快，造成暂态恢复峰值电压迅速增大，破坏设备的绝缘性能，以及使开关误动作，出现跳闸现象.谐波电流通过保护设备时，会在保护设备的操动机构中引起额外力矩，在不符合电气动作特性的情况下设备会出现误动作，甚至会烧毁保护设备的电磁线圈部分.

1.2.4 对计量仪表设备的危害

谐波电流通过一些机械式的计量仪表时，谐波会使设备的感应盘得到额外转矩，使其转速改变，仪表读数不正确，测量精度降低，误差也增大，严重时也会烧毁仪表中的电磁线圈.

1.2.5 对电力电子设备的危害

电力电子设备一般依靠电源精确交叉原理以及电压波形变化来工作.如果谐波电压通过时，零交叉点会发生移动，电压波形输出畸变，整个设备也会误动作.对于计算机等电子设备来说，谐波电压畸变过于严重时，他们发生的指令信号会严重失真.接受指令的控制设备将会误动作，使得电力机械中断运行甚至会损坏.

1.2.6 对电缆及电力电容的危害

谐波使电缆出现集肤效应，增加能耗；会使电力电容产生谐波，谐振会放大谐波电流，导致电力电容器被烧毁.

2 谐波产生的机理

变频器分为两大类：直接变频器和间接变频器.当前，在工频电网中，间接式变频器应用比较广泛，间接变频器为交流—直流—交流的工作方式.变频器输入工频电流后，在其内的桥式不可控整流器转换为直流电，之后再由滤波电容滤波，最后再由大功率晶闸管元件逆变为可调频的交流电.因此，变频器的输入部分实质上是整流电路，输出部分为逆变电路.如图1：

但是，整流元件和逆变元件都为非线性元件，这样会让变频器的输入端及输出端都会产生谐波.

2.1 变频器输入端产生谐波的原因

目前，调速变频器常用的整流元件多为晶闸管或二极管整流元件，如图2.

在带阻感负载的整流电路及采用电感滤波的二极管整流电路中，输入电流为非正弦波，如图 2中A所示，包含有高次谐波成分，最后会给电路带来谐波污染.

2.2 变频器输出端产生谐波的原因

变频器输出端输出的电压和电流是由PWM波和三角载波在交点形成的，不是标准的正弦波形.结果输出方形电压波和锯齿形电流波，这些波形中可分析出含有很强的高次谐波.如图3所示：

另外，一些相配套的电力电子产品对变频器谐波会起到放大的作用：如与晶闸管等元件配套的一些元件以及用来提高用户功率因数的电力电容器组，电力电容器组以谐振形式加大了谐波污染的程度.所以，对于这些与变频器处于同一用户中的设备，也应采取措施减弱它们对谐波污染的放大作用.

3 对谐波污染采取的治理措施

目前，对于变频器谐波的污染，治理它的思想是从两个大的方面来进行考虑的：第一是采用所谓的“绿色”变频器.“绿色”变频器是指产生谐波电流很小的变频器，这类变频器基本上不会带来太大的谐波污染.第二是治理已产生的谐波污染，同时也对放大谐波污染设备加以改进或修正.

3.1 绿色变频器

绿色变频器要求达到这样的标准，输出和输入的电波均要求十分地接近正弦波形，而且要求输入电流的功率因数可控制，在任何负载的情况下都可以把cosφ调节到1.另外，输出电波的频率在工频范围之内.

对于普通变频器做如下一些调整，将会达到绿色变频器的标准.

3.1.1 对变频器输入侧的改进及建议

对于变频器输入侧的谐波治理的建议为：第一，在变频器输入侧的整流电路部分与电源之间串联一个内置交流电抗器，电抗器能够很大程度上抑制谐波电流，减少瞬间峰值电涌电流对整流电桥的冲击.第二是对于四象线运行和动态性能较高的一些场合，变频器的二极管整流电路可以采用全控型电力电子元件组成的PWM型整流电路.这类整流电路的输入谐波很低，功率因数也可以控制.第三是对于晶闸管整流元件，可以采用增加脉冲的方法来消除最低次谐波成分.

对于第一种情况，笔者认为应该满足以下几个条件：第一，电源容量与变频器容量之比大于10︰1；第二，内置功率因数补偿设备；第三，三相电压不平衡大于等于30%，这样的条件下适合内置电抗器.在制造工艺方面，笔者提出以下几个改进的建议：第一，电抗器绝缘等级必须相当高；第二，电抗器与电源线之间的引线尽量与控制线分开走线；第三，电抗器在变频器内安装必须牢固，不能产生噪音及其它事故.

对于第二种情况，提出以下两条建议：第一，PWM整流电路输出的载波频率必须足够高，以达到抑制谐波目的；第二，避免PWM输出波与三角波相叠加.

对于第三种增加脉冲的情况，笔者建议：绿色变频器的脉冲数在12~24之间为宜.以6脉冲晶闸管整流电路和12脉冲晶闸管整流电路为例，6脉冲晶闸管输入电流的5次谐波可达20%，而7次谐波成分可达12%，高次谐波可达35次以上.12脉冲的晶闸管整流电路，由两组晶闸管整流桥串联组成，降低了5次谐波与7次谐波，如图4所示：

采用 18脉冲的整流电路，谐波电流失真度会小于5.6%，24脉冲整流电路的谐波失真度更低.但是增加脉冲，整流电路结构会更复杂，成本增加，工作稳定性下降.[3]另外，笔者建议，对变频器的整流部分，还可采用整流电路多重化的方法，以及电压矢量菱形调制等方法来对其从结构上加以改进

3.1.2 对变频器输出侧的改进与建议

对于变频器输出端的谐波抑制，应该做如下调整：第一，将其滤波元件更换为性能更好的噪声滤波器，并且在此处适当降低载波频率；第二，在输出侧内置输出电抗器，此处电抗器要求同输入电抗器的要求相似；第三，采用逆变单元并联多重化方式，让输出电波中的谐波成分相叠加，消除一些谐波成分.但是逆变单元串联或并联的个数不宜过多，2~5单元为佳.

3.2 变频器外谐波治理措施的改进

对于电路中已形成的谐波，治理的常用措施一般为屏蔽、隔离、接地、滤波以及反治振等.下面就上述措施加以探讨.

3.2.1 对屏蔽措施的探讨

对于联接在变频器与电动机等电气设备之间的电缆及信号线，将它们穿钢管或者采用铠装.电缆在进出钢管的这些地方，应做金属箔包裹屏蔽，若采用铠装电缆，在其易磨损段，再加一层铠装.另外，变频器所在房间，条件允许时可以加装抗辐射干扰滤波器.笔者认为采用EMI滤波器最佳，如图5所示，这样就可以消除或减弱高次谐波以传到或感应耦合等方式形成谐波污染，同时也能使外界干扰不能进入变频器中.

3.2.2 对隔离措施的改进建议

隔离措施是指：将电路中的干扰源和容易受到干扰的设备及元件分隔开，让他们之间不存在电的联系.具体做法为：

1）把交流电抗器安装在变频器输入侧外面，增加整流阻抗，使谐电波重叠角增大，谐电波被重叠消除，从而抑制住了谐电波成分，可降低谐波30%~50%左右.[4]笔者建议，将电抗器安装在与变频器零距离处为佳，信号线与电源线分线路，电抗器绝缘性能必须良好.

2）加强信号线路中导线及开关等设备的绝缘性能，杜绝漏电发生，防止谐电波从漏电的地方进入信号线路之中.开关设备务必具有漏电保护的功能，对于谐波治理亦有作用.

3）将信号线分类型进行分隔.由抗噪声能力来安装在不同的电缆槽、管及桥梁中.笔者建议，信号线在控制台或控制屏处，接示波器，以方便观察波形是否畸变.

3.2.3 对接地措施的建议

接地措施除了保护人身安全及电气设备的安全，还可以非常有效地抑制谐波对一些电气设备的干扰，也降低一些电气设备对外界的干扰.具体来讲，变频器及它的控制设备，以及相关的仪表设备都应进行很可靠的工作接地，一般分为信号接地，电源接地，模拟接地等几种形式.这样仪表设备的测量精度以及控制稳定性就会大大提高，谐波对它们的干扰就会被消除了不少.笔者建议，各种接地线在没到达接地汇流排时，之间要高度绝缘，并加以金属网罩屏蔽或铠装，以消除接地干扰.

3.2.4 对滤波措施的建议

滤波器可以控制变频器谐波的电磁噪声，也可以抵消外界各种天线电磁波对变频器的干扰及瞬间冲击，甚至是线路电涌对变频器的干扰.由使用的位置可以把滤波器分为两个类型：输入滤波器和输出滤波器.

输入滤波器又可以分为线路滤波器和辐射滤波器两类.线路滤波器由电感线圈组成，一般将它串联在变频器的输入端.线路滤波器用增大线路阻抗的方法来减小较高频率的谐波电流.当我们采用外空端子控制变频器时，控制电缆长度也较大时，外界干扰就会从控制电流侵入变频器，导致变频器误动作.这时就需要在控制线路的电缆上串入线路滤波器，从而消除掉外界干扰.

辐射滤波器由高频电容器组成，通常把它们并联在电源与变频器的输入端.辐射滤波器能吸收高频且有辐射能力的谐波，所以它也可以降低设备的无线电噪声.笔者认为，应该将线路滤波器与辐射滤波器同时引入电路中使用，可以达到更好的控制谐波效果.同时，如果要求高时，必须采用有源滤波器.另外，对它们也要加以屏蔽及接地.

输出滤波器也是由电感线圈组成的，一般被串联在变频器的输出端.输出滤波器能够减少输出电流中的高次谐波成分，从而降低变频器的输出浪涌电压.笔者建议，输出滤波器应近距离安装在变频器的输出端，同时，输出滤波器要做好接地.

3.2.5 对反谐振措施的改进及建议

谐波会对电力电容器带来很大的危害.电力电容器对电网无功补偿时，也会在电网中形成谐波自谐振，这种自谐振会放大谐波，危机电力电容器的安全，自谐振谐波在5次谐波与7次谐波之间.所以，这些电力电容器应采用调谐滤波电容器，这种电容器由电容器和电抗器串联组成，能除去自谐振形成的谐波.目前，常用含 6%电抗器的调谐滤波电容器来消除5次谐波，用含14%的电抗器的调谐滤波电容器来消除7次谐波.一般可以消除30%左右的低次谐波，[5]同时不会放大谐波.笔者建议，将文献[5]中所讲的含 60%的电抗器与含 14%电抗器的调谐滤波电容器配合使用，以达到较宽范围地消除谐波的目的.

综上所述，变频器调速技术使交流传动得以快速发展，但变频器引起的谐波会影响一些电气设备运行时的稳定性及可靠性.谐波污染阻碍电力电子技术的发展，也影响人类控制技术向智能化方向的发展，所以需要加快对谐波治理措施的研究及改进.

当前需要把谐波源的抑制技术和抗谐波干扰的技术结合起来，形成治理谐波污染的系统工程技术体系，这就需要人们把已使用的谐波治理措施认真分析研究，加以改进，才能达到最大限度控制谐波污染的目的.

[1]惠少英.工厂配电系统的变频器谐波污染及治理[J].科技创新导报，2011（21）.

[2]范义敏，鲁军.变频器谐波的产生、危害及抑制[J].林业科技情报，2002（4）.

[3]王海滨，娄国焕，张文欣.变频器谐波抑制措施的研究与应用[J].数字技术与应用，2011（6）.

[4]张乾业，范永强，李金广.变频器对配电系统的谐波污染及抑制措施[J].科技风，2010（3）.

[5]张永，吕建刚，刘继光.变频器谐波产生原因与抑制方法[J].电气应用，2010（3）.