２０１２年第３期 重庆三峡学院掌报 Ｎｏ．３。２０１２ 第２８卷（１ ３９期） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＨＯＮＧＱＩＮＧ ＴＨＲＥＥ ＧＯＲＧＥＳ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ 、，０１．２８ Ｎｏ．１３９ 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） 摘要：谐波会对供电系统及相关的一些电气设备带来严重的影响：会增加电气设备的额外 能耗，甚至会给它们带来安全隐患，同时也会干扰计算机及传感器等一些精密设备的工作，造成 控制及测量系统的不精确工作甚至是误动作，也会造成经济损失及安全事故．文章从调速变频器 产生的谐波入手，分析了谐波产生的原因及其带来的危害，并对谐波加以治理；同时也对消除谐 波的各类措施进行了探讨，提出了一些新的建议和看法． 关键词：变频器；谐波；谐波治理 中图分类号：０４５３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—８１ ３５（２０１２）０３—００７７一Ｏ４ 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． 收稿日期：２０１２－０３—０２ 作者简介：邵阿红（１９７９－），女，山西运城人，山西水利职业技术学院讲师，硕士，主要研究电工与电子技术． 基金项目：本文系山西省青年科技研究基金（２０１ ００２１ ０１ ５）研究成果之一 一７７— 邵阿红叶永卫田二明：调速变频器的谐波产生机理及治理措施研究 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 器．当前，在工频电网中，间接式变频器应用比较 广泛，间接变频器为交流一直流一交流的工作方 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： 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 一 ＵｌＷ‘ ｔ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 图ｌ变频器主电路 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． 八／，，＼ 一 输 ＾ Ｖ＾ Ｒ Ｓ 点 一 一 ｊ 出 Ｖ Ｔ 负 】 数 Ｌ ；氪入电压，电巍捩形 （Ａ） 图２变攘器螫藏图路及输＾侧泼彤 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： 图３变频器逆变回路及输出侧被彤 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 ＂Ｉｔ庆三峡学院学报 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ＣＯＳ 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之问为宜．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： 然 ∞ 蕾 － 叠罐 所奢秉 ＿ｌ嘲－冲ｌ■条 ｌ卷 ｌ ｌＯ ６ ｌ＿ ● ｌ ｌ。ｌ。ｌ。ｌ。－．－。・。＿。＿ ５ ７ Ｉｌ ｌ３ ｌ７ ｌ≯ 嚣 簿 器 ３ｌ 辅 Ｗ 蹈４ ６辣冲筠ｌ镯承狰热鹅誓雠魂路构谐媛嘲ｌ漉对比凰 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 ～７９— 邵 可红叶永卫 田二明：调速变频器的谐波产生机理及治理措施研究 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． ． ｔ Ｆｊ Ｒ Ｉｌ ￥ Ｖ Ｔ ■ １，ＷＦ 圈５ Ｅ Ｉ滤波器 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．【４Ｊ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 一８０一 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，这种白谐振会放大谐波，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． （下转８３页） 重庆三峡学院掌报 序较多，施工时间也比普通乳胶漆长很多，不适宜 面和完整地了解其他领域的特点和工艺流程，充分 大面积的涂刷，而且修复性较差，修补较麻烦． 期待拥有网版制作技术的印刷业更多地涉及 液体壁纸行业，将液体壁纸看做网版印刷产业链的 部分，根据涂料的属性设计出具有套色技术更轻 便的适用墙面印刷的小型机械，将会给液体壁纸带 一体现设计专业的交叉性． 参考文献： ［１］邱伟．液体壁纸的网印技术［Ｊ］．丝网印刷，２００９（９）． ［２］新时代的装修材料一液体壁 纸．ｈｔｔｐ：／／ｙｔ．ｕ８８．ｃｎ／ｙｍ／ａｒｔｉｃｌｅ—ｈｔｍ／ｏ／３８．ｈｔｍ． 来更广阔的市场，达到传统壁纸机械印刷的图案和 ［３］ 百 度 百 科 图像制作水准． ｈｔｔｐ：／／ｂａｉｋｅ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｍ／ｖｉｅｗ／７８０７５４．ｈｔｍ． 现代设计中意识及其表现手法的发展迅速，每 ［４］危大结，潘庆祥．浅谈液体壁纸［Ｊ］．才智，２０１０（２３）． 个时代的印刷工具和技术的发展都在帮助设计师突 ［５］张传香．液体壁纸漆的网版印刷［Ｊ］．丝网印刷， 破并界定设计方式的表现效果，印刷工艺和环境艺 ２Ｏ１ ０（１１）． 术设计的密切关系标志着当代的环境艺术设计师除 （责任编辑：张新玲） 了要具备专业知识和创新的审美意识外，也要更全 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ Ｃｒａｆｔｓｍａｎｓｈｉｐ ｉｎ ｔｈｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ａｒｔｉｓｔｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ： Ａ Ｐｒｉｍａｒｙ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ Ｃｒａｆｔｓｍａｎｓｈｉｐ ｏｆ Ｌｉｑｕｉｄ Ｗａｌｌｐａｐｅｒ ＹＵ Ｊｉ ｅ （Ｎａｎｊｉｎｇ Ｘｉａｏｚｈｕａｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ．Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２ｌｎ７ｉ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ａｒｔｉｓｔｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｉｎｔｅｒｄｉｓｐｌｉｎａｒｙ ｓｕｂｊｅｃｔ ｗｉｔｈ ａ ｗｉｄｅ ｃｏｖｅｒａｇｅ． Ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｃｒａｆｔｓｍａｎｓｈｉｐ ｉｓ ｏｎｅ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｕｂｊｅｃｔ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ，ｔａｋｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ｗａｌｌｌ；ｌａｐｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｄｅｐａｒｔｕｒｅ， ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｃｒａｆｔｓｍａｎｓｈｉｐ ｉｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ａｒｔｉｓｔｉｃ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ． ＇＂Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｉｎｔｉｎｇ；ｅｎｖｉｒｏｓｔｉｃｄｅｓｉｇｎ．．．．．．．．．．＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ｎｒｐｅｎｔ；＿＿＿ａ￣ｉ＿＿＿．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．． （上接８０页） 【２］范义敏，鲁军．变频器谐波的产生、危害及抑制 当前需要把谐波源的抑制技术和抗谐波干扰 ［Ｊ］．林业科技情报，２００２（４）． 的技术结合起来，形成治理谐波污染的系统工程技 ［３］王海滨，娄国焕，张文欣．变频器谐波抑制措施 术体系，这就需要人们把己使用的谐波治理措施认 的研究与应用［Ｊ］．数字技术与应用，２０１１（６）． 真分析研究，加以改进，才能达到最大限度控制谐 ［４］张乾业，范永强，李金广．变频器对配电系统的 波污染的目的． 谐波污染及抑制措施［ 科技风，２０１ ０（３）． 参考文献： 【５］张永，吕建刚，刘继光．变频器谐波产生原因与 ［１］惠少英．工厂配电系统的变频器谐波污染及治理 抑制方法［Ｊ］．电气应用，２０１０（３）． ［Ｊ］．科技创新导报，２０１１（２１）． （责任编辑：张新玲） Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅａｓｕｒｅ ｏｆ Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｎｖｅｎｅｒ ． Ｓｈａｏ Ａ—ｈｏｎｇ。 。Ｙｅ Ｙｏｎｇ—ｗｅｉ Ｔｉａｎ Ｅｒ—ｍｉｎｇ ｌ１．Ｓｈａｎｎｘｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。ｓｈａｎｘｉ ｘｉ：ａｎ ７１００６２） ．ＳｈａｎＸｉ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ 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