・７２・ 煤矿机 电 ２００８年第６期 高压变频器谐波分析与抑制探讨 姜春玲，马圣乾 （泰山学院物理与电子科学系，山东泰安２７１０２１） 摘 要： 从谐波产生的机理出发，分析了高压变频器的谐波对电网、负载以及引接电缆的影响，讨 论了各种参数与谐波的关系，并针对性地提出了抑制谐波的方法和对策。 关键词： 高压变频器；谐波；分析；抑制 中图分类号：ＴＮ７７３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—０８７４（２００８）０６－００７２－０３ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ Ａｎａｌ０ｎ Ａｎａｌ￣＂ｙｓｉ ａｎｄ Ｓｕｐ［ｓ ａｎｄ Ｕｐｐｒｅｓｓ￣ ＂ ｏｎ ｏｌｏｆ＂ Ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ｈａｒｍｏｎｉｃ ＪＩＡＮＧ Ｃｈｕｎ・ｌｉｎｇ，ＭＡ Ｓｈｅｎｇ—ｑｉａｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｔａｉｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔａｉ’ａｌｌ ２７１０２１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂｙ ｇｅｎｅｒａｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ，ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｅｓ ｔｏ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｄ，ｌｏａｄ ａｎｄ ｃｏｎｎｅｃｔ－ｃａｂｌｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅ ｔｏ ｒｅｓｔｒａｉｎ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｐｅｒｔｉｎｅｎｔｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ｈａｒｍｏｎｉｃｓ；ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ １ １ ’Ｉ蜀 Ｉ÷ 探讨。 ２变频器谐波对电网的影响 目前高压变频器已广泛地应用于煤矿系统的节 能改造，并取得了良好的运行效果和经济效益。然 而当电机容量较大时，大功率变频器的输入谐波对 电网的影响，以及输出谐波对电机的影响成为了交 通用变频器结构一般由整流器、逆变器构成，普 遍使用了晶闸管或者整流二极管等非线性整流器 件，工作时会在电网侧产生大量的谐波，对电网将 产生传导干扰，影响到电网的供电质量。 为了减小谐波对电网的影响，在变频器的输入 流变频系统中突出的问题。由于非线性负载所致， 当电流流经负载时，与所加的电压不成线性关系就 形成非正弦电流，从而产生谐波。其中奇次谐波引 起的危害比偶次谐波更多更大，当变频器容量超过 电源变压器容量时，高次谐波电流对负载直接干扰。 侧往往利用二极管不可控整流电路代替晶闸管相控 电路同时又将ＰＷＭ技术引入整流器控制中，使整 流器网侧电流正弦化，且可运行于单位功率因数。 尽管ＰＷＭ高频整流器能够有效地改善网侧电流畸 社．２００３ 本文对高压变频器的输入、输出侧的谐波进行分析 （３）干扰 在测试线附近不得存在较强的电磁场，如通有 大电流的导体、电磁设备及元件、射频信号装置、中 频电子设备等，以免对绝缘测试造成干扰。 参考文献： ［４］周志敏，等．电工测量与试验实用技术问答［Ｍ］．北京：电子工 业出版社，２００６ ［５］林向淮，等．电工常用仪器仪表的原理与使用［Ｍ］．北京：机械 工业出版社，２００５ 作者简介：王水成（１９５５一），男，教授级高级工程师。现在平煤集 团天宏焦化公司从事仪器仪表、自动控制和电气安全方面的技术工 ［１］陆荣华．电气安全手册［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００６ ［２］张公伯，等．用电安全必读［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００４ ｆ３１陈斌．等．电工仪表的使用与调修ｆＭ１．北京：中国电力出版 作，出版著作１部、发表论文１００余篇。 （收稿ＦＩ期：２００８—０７—２２；责任编辑：陈锡强） ２００８年第６期 煤矿机电 ・７３・ 变，获得正弦波电流，但从电磁干扰的角度来看，它 虽然减小了低频的谐波干扰，但开关器件的高频动 作产生的高频干扰也会注入电网上去。谐波污染公 用电网，使电源电压产生畸变，电压质量下降，线损 增大，若变频器的供电电源受到来自被污染的交流 电网干扰后不加处理，电网噪声也会通过电网电源 载波频率下线电压总谐波失真度分别为：ＴＨＤ 。＝ １．６４３６，ＴＨＤ ｋ：１．６１８９。可见，随着载波频率的降 低谐波成分增大，总谐波失真度增大，对电动机的不 利影响随之加剧。因此，从减少谐波的角度出发，应 尽量提高载波频率。但载波频率的过分增大，器件 的开关频率也随之升高，开关损耗相应增加，甚至易 电路干扰变频器。 ３变频器谐波对负载的影响 在逆变输出回路中，输出电压和电流均有谐波。 对于ＰＷＭ控制的变频器，只要是电压型变频器，不 管是何种ＰＷＭ控制，其输出电压波形为矩形波。 其中谐波频率的高低与变频器调制频率有关，调制 频率低（如１～２ｋＨｚ），人耳听得见高次谐波频率产 生的电磁噪声（尖叫声）；若调制频率高（如ＩＧＢＴ变 频器可达２０ｋＨｚ），人耳听不见，但高频信号是客观 存在的。输出回路电流信号也可分解为只含正弦波 的基波和其它各次谐波，而高次谐波电流对负载直 接干扰。 谐波对负载的影响与调制比、载波频率、以及开 关延时等参数有关。 （１）改变调制比Ａ 波形的畸变程度常以正弦波总谐波失真度 ＴＨＤ 表示，即： 厂 — 一 ＴＨＤ ＝√∑（Ｖ ｎ＝２ ）Ｖ１ 式中： 一基波电压有效值； 一ｎ次谐波电压有效值。 通常调制比Ａ在０～１之间选取，以调节输出基 波电压的幅值。为保证功率开关器件的可靠关断， 必须对ＰＷＭ调制波的最小脉宽和最小间隔加以限 制，实际上Ａ总小于１。调制比Ａ分别为０．８和０．４ 时可计算得到：ＴＨＤｖｏ．８＝ｉ．５６１５，ＴＨＤｖ０． ＝２．２８２２。 不同的调制比Ａ，线电压基波和各次谐波的幅 值都会发生变化。从ＴＨＤ 的变化可看出：随着调 制比降低，波形畸变程度加剧，谐波幅值增大，对电 动机不利影响加重；在其它条件相同情况下，调制比 Ａ增大，谐波幅值可以减小。 （２）改变载波频率 ＰＷＭ逆变电路的主要次谐波集中在载波频率 附近，改变载波频率 将对逆变电路输出谐波产生 较大影响。 选择载波频率 分别为２ ｋＨｚ和５ ｋＨｚ，在不同 引起上下桥臂出现直通现象。 （３）改变开关延时 为了避免桥臂短路，常设置一个死区时间 ， 以延缓全控功率器件的开通，延迟时间 的存在会 对ＰＷＭ逆变电路输出基波和谐波造成影响。加入 相当于在理想ＰＷＭ逆变电路输出电压的基础上 叠加了一系列窄脉冲，当载波频率比Ｎ＝Ｌ／ｆ，（ 为 三角载波频率 为输出基波频率）升高时，叠加的 窄脉冲数增加，使输出电压降低。 分别为５ ｓ和１５ ｓ时对应的线电压总谐波 失真度为：ＴＨＤ ＝１．５６３３，ＴＨＤｖ ５＝１．５８７３。可 见，随着 的增加，基波电压下降，总谐波失真度上 升，对电动机的影响加重。开关延时的存在，会使输 出电流产生交越失真，并随着载频的增高而使交越 失真变大。 ４变频器谐波在引接电缆中产生的影响 （１）电缆线路的等效电路 以分相屏蔽电缆为例，假设传输电缆的电阻、电 感、电导和电容沿线均匀分布，每相电缆的电路模型 如图１。 Ｒｏ Ｌｏ Ｒｏ（ｈ Ｒｏ —一Ｘ——— 叶 —一 ———．．１ 图１分相屏蔽电缆的电路模型 Ｒ。一电缆导线的电阻； 一导线的电感； Ｇ０一导线间的电导；Ｃ０一导线对地的电容； 一从电缆线的始端到所讨论的长度元的距离； 一每一长度单元具有电阻Ｒ０ 、电感 ０ 以电缆始端Ｋ次谐波为例，设其始端电压、电 流分别为“ ，则在电缆距始端 处， 次谐波电 压 、电流 分别为： ｚ正 ： ＋＋“＾＝ √２ 加＋ｅ一。 ｓｉｎ（／ｇｏｔ一 ＋ ＋）＋ √２ 加一ｅ。 ｓｉｎ（ｋｏＪｔ＋卢 ＋ ＋） ・７４・ 煤矿机电 ２００８年第６期 ＝ ＋＋ ：￣￣ ，－ ｌｔｋｏ＋ｅ－ａ￣ｓｉｎ（ ｆ一 ＋ ＋一 ）一 ￣／２ｚ呵ＵｋＯ＋ｅａｋＸｓｉｎ（ ｆ＋ ＋ ＋一 ） 其中： ，、 由上分析可知，对于电缆始端的ｋ次谐波分量 比如变流回路的多重化，可减小低次谐波电流， ／ｔ¨ｉ 在电缆距始端 处产生的电压电流的幅值均 发生＿『变化。忽略／ｔ ＋、ｉ ＋，则电压、电流幅值均近 似按ｅ 倍增长。并且，谐波次数越高，电缆长度越 长，电缆中谐波电压电流幅值越大。 （２）谐波分量的大小分析 １）变频器输出端频率很高幅值却比较小的高 一 ＋ 一— 一～＋ 次谐波在电缆传输中幅值大大地提高，且谐波次数 越高，谐波电压、电流放大倍数越大。一瑶 一 ２）电缆传输线越长，即 越大，ｅ 越大，且每 一 ∞ ～一 增加Ａｘ，谐波分量放大ｅａｋＡｘ倍，谐波分量随电缆长 度增量呈指数增大趋势。 一— ３）电缆中严重的谐波电压及谐波电流使电缆 一 一 中产生严重的过电压、过电流现象。 （３）谐波在引接电缆中的影响 一一：∞ 由谐波引起的电缆中过电压、过电流对电缆及 一一 电机的影响： １）对电缆的影响。由于电缆承受相当大的高频 脉冲过电压、过电流，使得电缆绝缘容易老化、击穿， 且输出电缆线越长，电缆中过电压、过电流越严重。 ２）对电动机的影响。由于输出电缆中含有相 当大的高次谐波电压、电流，使得电机的输入电压畸 变，定、转子电动势高次谐波进一步增大，结果使得 相电动势严重畸变，最大值升高很多，导致电机线圈 发热严重，绝缘老化甚至击穿；另外由于高次谐波产 生附加的转矩，会使电机产生振动和尖锐的噪音。 ３）对电子设备及电气计量检测保护设备的影 响。输出谐波会对周围对无线干扰敏感的电子设备 及电气计量检测设备产生干扰，降低其精度，严重时 使调节控制无法进行，甚至会引起损坏。另外对保 护设备，在高频谐波作用下，使得输出电缆分布电容 的容抗很低，电缆对地之间会形成较大的高频容性 接地电流（高频充放电电流）。 ５抑制谐波干扰的方法 （１）选择合适的拓扑结构 起到很好的谐波抑制作用。 （２）安装合适的电抗器 在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器， 吸收谐波和增大电源或负载的阻抗，达到抑制谐波 的目的。 （３）采用无源功率滤波器或有源功率滤波器 滤波器通常接在大型整流设备与电网的联结 处，用无源功率滤波器或有源功率滤波器都可以达 到滤波（补偿）的效果。 （４）增加变频器供电电源内阻抗 电源容量相对变频器容量越小，内阻抗值相对 越大，谐波含量越小。 （５）适当调节输出电压调制比Ａ、载波频率 和逆变电路开关滞时 等参数，可减少谐波对负载 的影响。 （６）配用变频专用电缆 改进电缆结构，降低电缆分布电容，提高电缆绝 缘水平，提高热稳定性，加强电缆静电屏蔽，抑制、减 小谐波过电压过电流，提高电缆抗过电压、过电流的 能力，阻断高频谐波干扰的传播途径。同时使变频 器尽量靠近电动机，缩短引接电缆的长度，减小电缆 中谐波过电压及过电流。 参考文献： ［１］ 马伟明，张磊，盂进 独立电力系统及其电力电子装置的电磁 兼容［Ｍ］．北京：科学出版社，２００７ ［２］李晓慧，王卫东．变频器引接电缆中的高次谐波影响及抑制 ［Ｊ］．微计算机信息，２００６（２２） ［３］ 万健如，林志强，禹华军．变频器谐波对负载影响的仿真分析 ［Ｊ］．电力电子技术。２００１（１０） ［４］陈伯时．交流调速系统［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００５ ［５］张东方，汝长青．大功率无谐波变频器主电路的研究［Ｊ］．煤矿 机电，２００８（１） 作者简介：姜春玲（１９６９一），女，副教授。２００４年毕业于山东科技 大学（硕士学位），现从事电力电子技术的研究与教学工作，发表论 文２０余篇。 （收稿日期：２００８—０８—１１；责任编辑：姚克）