变频器谐波产生原因及其抑制方法的探讨

变频器谐波产生原因及其抑制方法的探讨　刘德成李传伟　（威海职业学院山东２６４２１０）　摘要：变频器在工业生产中的应用越来越Ｊ　‘泛，其谐波干扰问题日益引起人们的重视。本文主要介绍了变频器　谐波产生的原因以及谐波的危害，提出了抑制谐波干扰的实际解决方法。　关键词：变频器　谐波危害　抑制　中图分类号：＿ｒＮ７７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—４８６２（２００６）０６．００３２．０５　ＤｉｉｓｃｕｓｓｉＳＣＵＳＳｉｏｎ　Ｏｎ　ｏｎ　ａｕｓｅｓ　ａｎ　Ｃ　ａｎｄ　Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ＩＩＯｔｌｓ　ｔｈｅ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｅ　１ｒａｎｓｄｕｃｅｒ　Ｈａｒｍｏｎｉｃｓ　Ｌｉｕ　Ｄｅｃｈｅｎｇ；Ｌｉ　Ｃｈｕａｎｗｅｉ　（Ｗｅｉｈａｉ　Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２６４２　１　０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ｉｎ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｉｓ　ｇｅｔｔｉｎｇ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｃａｕｓｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈａｚａｒｄｓ　ｏｆｈａｒｍｏｎｉｃ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｆｏ，．　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｉｓ　ｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ｈａｚａｒｄ　ｏｆｈａｒｍｏｎｉｃ　ｔ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　１前言　次谐波。　在工业调速传动领域中，与传统的机械调速相　谐波造成电网污染，正弦电压波形畸变，使电　比，用变频器调速有诸多优点，采用变频器驱动的　力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障，　电动机系统节能效果明显，调节维护简单，网络化　情况日趋严重。本文论述了变频器应用系统中谐波　等优点，而被越来越多的应用，但它带来的干扰问　的产生及危害，希望能引起高度重视。　题亦倍受关注。对于变频器来讲，其输入端和输出　２谐波的产生　端都会产生高次谐波，谐波会对公州电网产生影　响。变频器通常会与其它设备同时运行，如计算机　谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。　和传感器，这些设备常常安装得很近，会造成相互　当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，　影响。因此，以变频器为代表的电力电子装置是公　就形成非正弦电流，而产生谐波，见图ｌ。　用电网中最主要的谐波来源之…，其对电力系统中　谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学　电能质量有着重要的影响。　家傅立叶（Ｍ．Ｆｏｕｒｉｅｒ）分析原理证明，任何重复　按国际上公认谐波定义为：“谐波是一一个周期　波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波　电气量的正弦波分量，其频率为基波的倍数”。由　倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐　于谐波的频率是基波频率的整数倍数，常称它为高　波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以分为　偶次与奇次谐波。在平衡的三相系统中，由于对称　收稿日期：２００６．０５。２０　作者简介：刘德成（１９６５－－），男，硕士，高级讲师。研究方向：机电一体化控制。　李传伟（１９６９－－），男，硕士，高级讲师，从事于自动控制的开发与教学。研究方向：电气自动控制。　维普资讯 http://www.cqvip.com

有以下几方面：　３．１对供配电线路的危害　．　０　●■　Ｉ　Ｉ｜　图ｌ谐波不总图　３．１．１影响线路的稳定运行　供配电系统中的电力线路与电力变压器一般　采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器　予以检测保护，保证线路与设备的安全。但由于电　磁式继电器与感应式继电器容易误动作，在谐波影　响下不能有效地起到保护作用。晶体管继电器虽有　关系，偶次谐波被消除了，只有奇次谐波存在，奇　许多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐　次谐波引起的危害更多更大。　从结构来看，变频器可分为间接变频和直接变　频两大类。间接变频将工频电流通过整流器变成直　流，然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交　流。直接变频则将工频交流变换成可控频率的交　流，没有中间的直流环节。它的每相都是一个两组　晶闸管整流装置反并联的町逆线路。正反两组按一　定周期相互切换，在负荷上就获得了交变输出的电　压Ｕ。，ｕ。的幅值决定于各整流装置的控制角，频率　决定于两组整流装置的切换频率，目前应用较多的　还是间接变频器。间接变频有三种不同的结构形　式：①用可摔整流器变压，用逆变器变频，调压和　调频分别是在两个环节上进行，两者要在控制电路　上协调配合：②用不控整流器整流斩波器变压、逆　变器变频，这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽　调压：⑧用不控整流器整流，ＰＷｌＶＩ逆变器同时变频，　这种变频器只有采用可控关断的全控式器件（如　Ｉ６ＢＴ等）输出波形才会非常逼真的正弦波。无论是　哪一种的变频器，都大量使用了晶闸管等非线性电　力电子元件，不管采用哪种整流方式，变频器从电　网中吸取能量的方式均不是连续的『Ｆ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ｌ刮形成脉动电压降叠加在电网　上，使电压发生畸变，经傅里叶分析可知，这种非　周期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率人　于基波频率的谐波组成。　由丁变频器的整流部分一般为三相全波不可　控整流，直流回路采用大电容作为滤波器。这样，　虽然变频器的网侧输入电压波形基本上是正弦波，　但输入电流足脉冲式的充电电流，含有丰富的谐　波。　３谐波危害　对于电力系统来说，电力谐波的危害主要表现　波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁　供配电系统的稳定与安全运行。谐波电流使输电线　路的电能损耗增加，当注入电网的谐波频率位于存　网络谐振点附近的谐振区内时，对输电线路和电力　电缆线路会造成绝缘击穿。　３．１．２影响电网的质量　电力系统中的谐波能使电　的电Ｊ玉与电流波　形发生畸变。如民用配电系统中的中性线，如果３　次谐波的含量较多，相线上的３的整数倍谐波在中　性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上　的电流。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流要　产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电　网电压，浪费电网的容量。　３．２对电力设备的危害　３．２．１对电力电容器的危害　含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于　电锌器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容　器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命　缩短，引起电容器过负荷甚至爆炸，同时谐波还可　能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使故　障加剧。　当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增　人，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗　功率增加。对于膜纸复合介质电容器，虽然允许有　谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的１．３８倍：　对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐　波时的１．４３倍，但如果谐波含量较高，超出电容　器允许条件，就会使电　器过电流和过负荷，损耗　功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温　度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投　入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐　波加剧，即产生谐波扩大现象。另外，谐波的存在　往往使电压呈现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中　诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强　维普资讯 http://www.cqvip.com

度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而　及线路容抗与系统并联，在一定数值电感与电容下　缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高　可能发生谐振。　１０％，电容器的寿命就要缩短１／２左右。再者，在　３．３对用电设备的危害　谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆　３．３．１对电动机的危害　炸。谐波谐振引起电容器的过电压和过电流，等值　谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机　电路如图２所示。　的附加损耗，严重时使电动机过热。尤其是负序谐　波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋　转方向相反的转矩，起制动作用。当谐波频率接近　某零件固有频率时会使电动机产生机械振动，发出　很大的噪声。　３．３．２对低压开关设备的危害　特别对电磁式继电器来说，电力谐波常会引起　继电保护及自动装置误动或拒动，可靠性降低，造　成系统事故，严重威胁电力系统的安全运行。　对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器受　谐波电流的影响，铁耗增大而发热，同时由于对电　磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越　图２谐波谐振对电容器的影响　高影响越大；热磁型的断路器，由于集肤效应与铁　Ｅ　为供电线路Ｎ次谐波电势源电压；　耗增加引起发热，使额定电流与脱扣电流降低；电　Ｚ　电源侧Ｎ次谐波阻抗；　子型的断路器，谐波也使其额定电流降低，尤其是　ｘ　：电容设备的ｎ次谐波电抗。　检测峰值的电了断路器，额定电流降低的更多。由　当　＝　时，就要产生谐振，谐振时电源回路　此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误　谐振电流，．．：　达到最大值，致使电容器回路产　动作。　Ｒ　对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作　生严重的过电流，在其两端引起很高的过电压。　用，使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对　３．２．２对电力变压器的危害　于电磁接触器来说，谐波电流使磁体部件温升增　谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡　大，影响接点、线　温度，使额定电流降低。对于　流损耗及绝缘的电场强度和铜损。对带有非对称性　热继电器来说，谐波电流会使额定电流降低，它们　负荷的变压器，能增加励磁电流的谐波分量。谐波　都有可能造成误动作。　使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、涡流损　３．４对弱电系统设备的干扰　耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。　电力线路上流过的３、５、７、１１等幅值较大的　使变压器的铁耗增大，主要表现在铁芯中的磁滞损　奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近的通信线　耗增加，谐波使电压波形变差，磁滞损耗越大。由　路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通　于以上两方面损耗增加，减少变压器实际使用容　信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作　量，在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中　用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威　的谐波含量。此外，谐波还导致变压器噪声增大，　胁通信设备和人员的安全。另外高压直流（ＨＶＤＣ）换　随着谐波次数的增加，振动频率在１　ｋ　左右的成　流站换相过程中产生的电磁噪声（３—１０　ｋＨｚ）会干扰　分使噪声增加，有时还发出金属声。　电力载波通信的正常工作，使利用载波工作的闭锁　３．２．３对电力电缆的危害　和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。　谐波次数高频率上升，电缆导体截面积越大趋　对于计算机网络、有线电视、报警与楼宇自动　肤效应越明显，导致导体的交流电阻增大，使电缆　化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、　允许通过电流减小。另外，电缆电阻、系统母线侧　静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干　及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器　扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率　维普资讯 http://www.cqvip.com

成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡　电流流入接地极，从而干扰弱电系统。　３．５影响电力测量的准确性　电力测量仪表有磁电型和感应型，它们受谐波　的影响较大。特别是电能表，当谐波较大时将产生　计量混乱，测量不准确。　３．６谐波对人体有影响　从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋　时，会在细胞膜静电位基础上发生快速电波动或可　逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，谐波的电　磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。　４谐波的抑制　变频器方便、高效和巨大利益的同时，对电网　注入了大量的谐波和无功功率，使电能质量不断的　恶化。另一方面，随着以计算机为代表的大量敏感　设备的普及应用，人们对公用电网的供电质量要求　越来越高。由于谐波的危害性，所以许多国家都发　布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定　限制谐波的规定。世界各国所制定的谐波标准大都　比较接近。我国国家技术监督局于１９９３年发布了　中华人民共和国围家标准ＧＢ／ＴＩ４５４９—９３《电能质量　公用电网谐波》，该标准从１９９４年３月Ｉ口起开始　实施，用以限制供电系统及用电设备的谐波污染。　抑制谐波的方法的基本有三：一是装设谐波补　偿装置来补偿谐波；二是对电力电子装置本身进行　改造，使其不产生谐波，且功率　数可控制为１；　三是在市电网络中采用适当的措施来抑制谐波，具　体方法如下。　４．１安装适当的电抗器　安装电抗器是从外部增加变频器供电电源的　内阻抗。在变频器的交流侧或变频器的直流侧安装　电抗器或同时安装，可抑制谐波电流。变频器的输　入侧功率因数取决于装置内部的Ａｃ—Ｄｃ变换电路系　统，可利用并联功率因数校正Ｄｃ电抗器，电源侧　串联Ａｃ电抗器的方法，使进线电流的ＴＨＤＶ大约降　低３０％一５０％，是不加电抗器谐波电流的一半左右。　４．２装设有源电力滤波器　除传统的Ｌｃ调试滤波器外，目前谐波抑制的　一个重要趋势是采用有源电力滤波器。它串联或是　并联于主电路中，实时从补偿对象中检测出谐波电　流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等，　图３使用交流／直流电抗器降低ＴＨＤ　图４有源电力滤波器总体构成框图　方向相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分　量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行　跟踪补偿，其特性不受系统的影响，无谐波放大的　危险，因而倍受关注，在日本等国已获得广泛应用。　有源电力滤波器的工作原理的整体构成如图４　所示。　图４中的检测及控制电路对负载电流进行检　测，分离出谐波及基波无功部分，用以控制主电路　输出相应的补偿电流。而负载电流　按傅里叶级数　展开为：　ｆｆ：∑，　ｓｉｎ（ｉｒｍ＋８．）　ｎ＝ｌ　印ｏｓ　ｓｉｎ　Ｈ　ｌｓｉｎｆｌｌｃｏｓｃ＿ｏｔ＋∑　ｓｉｎ（ｎｃｏ＋８．）　ｎ＝２　‘ｐ＋ｆＪｑ＋ｆｈ　式中，　。为基波有功电流；　为基波无功电流；　为高次谐波电流。　是基波电流初相位，　为ｉｑ　次谐波初相位。　在图４中，　１＝　十　即负载电流由系统电源电流　。和有源滤波器输出的电流　共同提供，如果控制　有源电力滤波器的输出电流，使ｉ￣－ｆｈ，则系统电源　中就只需供给基波电流（有功与无功）了，即　Ａ＝ｉ　十』．　从而达到抑制谐波目的。简单说，有源电　力滤波器只要产生一个与负载谐波幅值相等，相位　相同（在图示参考方向下，若取　。和　参考方向和　维普资讯 http://www.cqvip.com

图中相反，五参考方向与图中相同，则相位相反）　±ｌ和ｐｋ（ｐ为整流相数或脉动数，ｋ为正整数）　的电流注入谐波源，即可将谐波抵消掉，使之不会　当脉动数由ｐ＝６增加到ｐ＝１２时，可以有效地消除　流入系统电源。由上述分析我们还可知，有源电力　幅值较大的低频项，（其特征谐波次数分别为　１２ｋ　滤波器还可同时补偿无功功率，这时只需使　±ｌ和１２ｋ），从而大大地降低＿『谐波电流的有效值。　Ｌ＝Ｌ＋ｉ　则　：　，即系统电源中就只需供给负载　１２相脉冲整流ＴＨＤＶ大约为１０％－１５％，１８相脉冲整　电流中的基波有功电流，这样图４中的　就是补偿　流的ＴＨＤＶ约为３％一８％，满足国际标准的要求。缺点　了谐波和基波无功电流后的系统电源供给的电流。　是需要专用变压器，不利于设各的改造，价格较高。　４．３采用多相脉冲整流　４　４使用滤波模块组件　在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情　Ｈ前市场上有很多专门用于抗传导干扰的滤　况下，可采用多相整流的方法。换流装置是供电系　波模件或组件。它们具有较强的抗干扰能力，同时　统的主要谐波源之一，理论分析表明，换流装置在　还具有防爿ｊ电器本身的干扰传导给电源，还兼有尖　其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为ｐｋ　峰电压吸收功能，对各类用电设备有很多好处。　。■■－　０＿■＿ｒ　＿＿一■■■■■■■■■＿　■＿　婶警【　一≥崩　三　苎　▲上▲．１　　．广　严＿一一一１　暑　＿　罨　＿Ｉ　●■●　．．　图５滤波器的结构　４．５增加供电电源内阻抗和开发新型的变流器　制造厂商已非常重视谐波问题，存设计时已从技术　电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流　手段上保证了变频器的绿色化，从而在根本上解决　滤波电容的无功功率的作用。这种内『ｊ且抗就是变压　谐波问题。　器的短路阻抗，当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；电源容量相对　４结论　变频器容量越大，则内阻抗值相对越小，谐波含量　变频器的使朋给人们带来了方便和巨大的利　越大。所以选择变频器供电电源变压器时，最好选　益，它必将更为普遍的使用。ｆ日是由于它所特有的　择短路阻抗大的变压器。　工作方式，给公用电　带来了一定的破坏，成为电　大容量的变流器减少谐波的主要方法是采用　网谐波污染源之　，所以，分析和研究抑制谐波的　多重化技术。高功牢因数整流器主要采用ＰＷＭ逆变　疗法将成为一个非常霞要的课题。　器可构成四象限交流调速用变频器。这种变频器不　综上所述，可以清楚地了解谐波产生的原因，　但输出电雎、电流为正弦波，输入电流也为正弦波，　在具体治理上可采用无源滤波器、有源滤波器，减　且功率因数为１，还可以实现能量的双向传递，代　少同路阻抗，切断谐波传输路径及开发使用无谐波　表了这一技术的发展方向。　污染的绿色变频器等方法，将变频器产生的谐波控　变频器中应用的降低谐波技术可归纳如下：①　制在最小范围内，达到科学合理用电，抑制电网污　逆变单元的并联多重化，采用２个或多个逆变单元　染，提高电源质量　并联，通过波形叠加抵消谐波分量。②整流电路的　参考文献：　多重化，在ＰｗＭ变频器中采用ｌ２脉冲、１８脉冲或　［１】韩安荣，通用，叟频器及其　用（第２版）［Ｍ】．北京：机械Ｔ　者２４脉冲的整流，以减少谐波。③逆变单元的串　业山版利’，２０００．　联多重化，采用３０脉冲的串联逆变单元多重化线　［２］张宗桐．变频器及其装置的ＥＭＣ要求【Ｊ］．变频器世界，　路，其谐波可减少到很小。④采用新的变频调制方　２０００（９）．　法，如电压矢量的菱形调制等。目前，许多变频器　［３］缴瑞ＩＪＪ．单片机控制技术．［ｓ．１．］：高等教育出版社，２００３．