应用技术 Ｉ■ Ｃｈｉｎａ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｖｉｅｗ 变频器谐波抑制措施与应用 袁世昊 （唐山首信自动化信息技术有限公司河北唐山０６３０００） ［摘要］随着电子技术的迅速发展，开关电源的应用日益普及，给电网造成污染，干扰其它设备的正常工作。针对变频器广泛应用的现状，提出几种抗干扰 措施，以提高变频装置的电磁兼容水平，使变频装置更可靠、更持久的工作，同时减小对电网中其他设备的影响。 ［关键词］变频器电磁干扰（ＥＭＩ）谐波 中图分类号：ＴＮ７７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—９１４Ｘ（２０１４）０７—０２８０—０１ 前言随着电力电子技术的发展，采用正弦脉冲宽度调制（ＳＰＷＭ）方式的 逆变器得到了广泛的应用，如变频器，不间断电源（ＵＰＳ）等。在唐钢冷轧应用了 大量不同种类、容量的交流变频装置，￣ＳＩＥＭＥＮＳ ６ＳＥ７０系列Ｍａｓｔｅｒｄｒｉｖｅｓ、 ＭＩＣＲＯＭＡＳＴＥＲ ４３０／４４０系列、ＡＢＢ ＡＣＳ６００／８００系列及ＴＭＥＩＣ ＴＭ７０ 等。其调速范围宽，精度高，节能效果好，系统稳定可靠，给企业带来了显著的经 济效益。但是，随着变频器的广泛使用，它的谐波干扰问题也倍受瞩目，采取相 应措施和配套设备，以保证变频器安全、高效、高功率因数、环保地工作，以做到 电磁兼容。 １．电磁干扰及谐波危害 １．１电磁干扰（ＥＭ１） 人类对电磁兼容（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ，ＥＭｃ）的认识始于电磁 干扰（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ＥＭＩ）的影响：ＥＭＩ可能使一切用电设备、 分系统或系统的工作性能偏离预期指标或使工作性能出现不希望的偏差，甚至 还可能使其失灵，性能永久性下降直至被摧毁，同时给人体健康带来伤害。将 ＥＭＩ定义为“由电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降”。根据产生 原因的不同，可以将ＥＭ１分为自然干扰和人为干扰． １．２谐波危害 交流变频器调速的普及，特别是变频器大量使用的企业，变频器产生的谐 波如不加以抑制，对其他设备及其自身的正常运行都会产生很大的影响。谐波 使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并 使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。由于谐波的存在，电动机的 总损耗将增加约３０％，电流约增加１０％，温升约提高２０％。由于谐波的影响，电动 机绕组上的电压分布也变得很不均匀，再加上变频矩形波的电压变化率很高， 极易发生绕组匝间短路故障。 ２．变频器谐波形成的主要原因 变频装置的谐波产生于主电路，如图２所示，变频调速系统主电路由整流 器、中间直流环节和逆变器组成。整流部分为二极管三相桥式整流器，中间滤波 部分采用大电容作为滤波器，逆变部分为ＩＧＢＴ￣相桥式逆变器，且输入为 ＰＷＭ波形。 ２．１变频器输入侧产生的谐波 变频器的输入电路通常由二极管三相桥式整流回路和滤波电路组成。其电 路结构和输入侧电压、电流的波形如图晰示。变频器电源侧的谐波电流主要由 交流到直流的整流电路产生。由整流电路的基本理论可知，整流电路在输出直 流电流的同时，二极管换相使得交流侧产生特征谐波电流。有关资料表明，输入 电流中的５次谐波和７次谐波的谐波分量是最大的，分别是５ＯＨｚ基波的８０％ －鱼，－ ａ ｉ Ａ ｂ ． ＝＝ ｃ土・ ｉ ｆ ｛士 二极餐藏瓤轿直流环节ｐＷＭ逆变嚣 图２变频调速系统主电路图 Ｒ Ｕ． ａ）变频器整流电路ｂ）输入侧的电压和电流 图３电压型变频器整流电路输入侧电压和电流波形 ２８０ ｌ科技博览 和７０％。 ２．２变频器输出侧产生的谐波 由变频器的基本组成及工作原理可知，变频器在理想状态下一般输出的是 若干千赫兹高压脉冲，但是因变频器供电的异步电动机存在电流一转矩特性， 在变频器输出的波形中除了有基波外，还有若干谐波，产生这些谐波的原因主 要是： １）交流变频器的输出电压波形是整流电压波形，含有较大谐波，其频率为： ｆ Ｕ１＝Ｐ ｋｆ ｉ±（ｎ－１）ｆ ０，式中：ｐ为可控整流脉波数，Ｐ＝６或１２Ｉｋ为自然 数，ｋ＝１，２，３，…，ｎ为谐波次数，ｎ＝ｌ，２，３…｝ｆ ｉ为电网频率，ｆ ｉ＝５０ＨＺ；ｆ ０ 为变频器输出频率。经负载电感滤波后，大部分高次谐波被滤掉，但低次谐波仍 存在。 ２凌频器输出高压脉冲，因在变频器输出线与地之间及电机与地之间都存 在分布电容，于是产生了高次谐波电流，该电流中含有很多奇次谐波成分。用变 频器对异步电动机供电时，变频器从整流器部分产生电源高次谐波，变频器产 生的奇次谐波对外存在较大的干扰，且变频器用高载波频率输出斩波，因此它 本身是一个谐波发生源。而逆变电路产生的高次谐波经变频器输出到动力电缆 和电机上。在电动机调速过程中，由于逆变电路输出的基波频率是随电机转速 要求不断变化的，因而这些脉动分量的频率是变化的。输出表达式： ｕｎ ．， ．、 ４． Ｈ ：口ｓ ｎ（∞ｒ＋ Ｊ＋２ ‘ ０ｍ ［ ｓｉｎ（ａ，＋ 一１ｒｔ ）】 ｃｏｓｎ￣ｔ “ｄ ：ｌ“ ‘ ￡ 。 其中：ｕ０为变频器输出电压 ｕｄ：￣ｊ变频器直流侧电压，ｃ【为调制度（Ｏ≤ｏ【 ≤１）；∞ｒ为调制信号角频率； 为正弦调制波的初相角；∞ｒ为载波信弓角频 率；ｎ为变频器输出谐波次数。式中第一项为输出波形中的基波分量，即调制时 所要求的正弦波；第二项是输出波形中的谐波分量。 ３ 谐波抑制及其干扰措施 ３．１变频器谐波的抑制 谐波进人电网主要与整流电路有关。为了减小进人电网的谐波，在电源的 输人端串入电抗器滤波。合理选择直流电路的电容大小，对于抑制谐波也有很 大的帮助。降低输出回路的高次谐波，采用多电平逆变和滤波的方案。为减少电 磁噪声和损耗，在变频器输出侧可设置输出滤波器，使输出电流和电压接近正 弦波，将高次谐波进一步减弱。在系统抗干扰和优化控制性能方面，常采用硬件 和软件抗干扰措施，而最基本和最重要的抗干扰措施是硬件抗干扰。主要措施 是隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。 ３ ２变频器抗干扰措施 提高变频控制系统抗干扰能力，首先确保控制柜中的所有设备接地良好， 使用短、粗的接地线（最好采用扁平导体或金属网，因其在高频时阻抗较低涟接 到公共地线上。安装布线时将电源线和控制电缆分开，控制电路连接线必须和 电源电缆交叉，应成９ｏ。交叉布线。使用屏蔽导线或双绞线连接控制电路时，确 保未屏蔽之处尽可能短，条件允许时应采用电缆套管。还有就是确保控制柜中 的接触器有灭弧功能，交流接触器采用压敏电阻抑制器，如果接触器是通过变 频器的继电器控制的，这一点特别重要。用屏蔽和恺装电缆作为电机接线时，要 将屏蔽层双端接地。如果变频器运行在对噪声敏感的环境中，可以采用ＲＦＩ滤 波器减小来自变频器的传导和辐射干扰。为达到最优效果，滤波器与安装金属 板之间应有良好的导电性。 ４ 结论 本文通过对变频器产生谐波的原因及谐波的特点进行分析认为，变频器输 人侧产生的谐波主要是由整流电路引起的，而且，以低频谐波为主，主要对供电 系统产生影响。变频器的输出侧产生的谐波是由逆变电路所致，其谐波主要是 高次谐波，谐波的频率与调制频率接近 输出侧谐波会对拖动系统自身、相邻设 备产生不利影响。变频器的使用给人们带来了极大的方便和巨大的经济效益， 它必将更为广泛地使用，但是由于它特有的工作方式，给公用电网带来了一定 的破坏，成为电网主要污染源之一，所以，分析和研究抑制谐波的方法将成为～ 个非常重要的课题。因此在设计及施工时对变频器的干扰问题应该给予充分的 考虑，以便使变频调速系统及周围设备能稳定可靠地工作。