浅谈变频器谐波产生原因与抑制

林 凯

（广西产品质量监督检验院，广西 南宁 530022）

目前，随着异步电动机变频调速技术的迅猛发展，变频器因其节能效果显著、调节方便、维护简单等优点，在工业调速传动领域得到广泛应用，但在人们享受它便捷的同时，变频器直——交逆变器的非线性等效负荷使得变频器在许多系统集成工程中不仅污染工厂供电系统，还直接对自动化工程项目干扰，引起测控系统失准失灵，严重破坏大系统的稳定性，甚至变频器自身的电子元器件、计算机芯片受到干扰，引发“自举”式的调速故障。变频器的谐波干扰问题成了人们亟待解决的问题。

1 变频器概述

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，由主回路、电源回路、IPM驱动及保护回路、冷却风扇等几部分组成。从结构来看，变频器可分为间接变频和直接变频两类。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；直接变频器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可逆线路。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U0，U0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3种不同的结构形式：①用可控整流器变压，用逆变器变频，调压和调频分别是在两个环节上进行；②用不控整流器整流斩波器变压、逆变器变频；③用不控整流器整流，脉宽调制逆变器PWM变频。

2 谐波产生原因

谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。由于变频器逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载，因此当电流流经变频器时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生了谐波，见图1。

图1 谐波产生图

谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次性与奇次性。在平衡的只相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在，因此，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。

3 谐波的危害

（1）谐波对供电线路产生附加谐波损耗。谐波线路电阻随频率增加而提高，造成电能的浪费；由于中性线正常时流过电流很小，故其导线较细，当大量的三次谐波电流流过中性线时，会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短、损坏甚至发生火灾。

（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。对发电机的影响是产生附加功率损耗、发热、机械振动、噪声和过电压；对于断路器，当电流波形过零点时，由于谐波的存在可能造成高的di/dt，这将使开断困难，并且延长故障电流的切除时间。

（3）谐波会引起电网局部的并联谐振和串联谐振，从而放大谐波，危害增加，甚至引起严重事故。

（4）谐波会对临近的通信系统产生干扰，导致通信质量降低、信息丢失、微处理器的系统程序运行失控，使通讯系统无法正常工作，尤其是在海上远距离作业时影响更大，威胁着通信设备和人员的安全。

4 谐波抑制方法

4.1 使用无源或有源滤波器

（1）将无源滤波器安装在变频器的交流侧。无源滤波器由L、C、R元件构成谐波共振回路，当LC回路的谐波频率和某高次谐波电流频率相同时，即可阻止高次谐波流入电网。无源滤波器投资少、频率高、结构简单、运行可靠、维护方便。

（2）加装有源滤波器。加装有源滤波器通过对电流中高次谐波进行检测，检测结果输入与高次谐波成分具有相反相位的电流，以达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比，具有高度可控性和快速响应性，这种一机多能特点可消除与系统阻抗发生谐振的危险，也可自动跟踪补偿变化的谐波。

4.2 安装适当的电抗器

在变频器的输入电流中频率较低的谐波分量（5次谐波、7次谐波、11次谐波、13次谐波等）所占的比重很高，它们除了可能干扰其他设备的正常运行之外，还因为它们消耗了大量的无功功率，使线路的功率因数大而下降。在输入电路内串入电抗器是抑制较低谐波电流的有效方法。根据接线位置的不同，主要有交流电抗器和直流电抗器两种。其中交流电抗器串联在电源与变频器的输入侧之间，直流电抗器串联在整流桥和滤波电容器之间。

4.3 变频器的隔离、屏蔽、接地

变频器系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立，或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器。或者将变频器放入铁箱内，铁箱外壳接地。同时变频器输出电源应尽量远离控制电缆敷设（不小于50 mm间距），必须靠近敷设时尽量以正交角度跨越，必须平行敷设时尽量缩短平行段长度（不超过1 mm），输出电缆应穿钢管，将钢管作电气连通并可靠接地。

4.4 使用滤波模块组件

目前市场上有很多专门用于抗传导干扰的滤波模件或组件。这些滤波器具有较强的干扰能力，同时还具有防用电器本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能。对各类用电设备有很多好处。

4.5 增加变压器的容量，减少同路的阻抗及切断传输线路法

由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其他负载，引起谐波电流在其上流过，因此，减少谐波危害的措施也可从加大电缆截面积，减少回路的阻抗方式来实现。目前，国内较多采用提高变压器容量，增大电缆截面积，特别是加大中性线电缆截面，以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件等办法，但此种方式不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，又加大了投资，增加供电系统的隐患。

4.6 使用无谐波污染的绿色变频器

绿色变频器的品质标准是：输入和输出电流都是正弦波，输入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为 1，可获得工频上下任意可控的输出频率。变频器内置的交流电抗器，它能很好的抑制谐波，同时可以保护整流桥不受电源电压瞬间尖波的影响，实践表明，不带电抗器的谐波电流明显高于带电抗器产生的谐波电流。为了减少谐波污染造成的干扰，可在变频器的输出回路安装噪声滤波器。并且在变频器允许的情况下，降低变频器的载波频率。另外，在大功率变频器中，通常使用12脉冲或18脉冲整流，这样在电源中，通过消除最低次谐波来减少谐波含量。例如12脉冲，最低的谐波是11次、13次、23次、25次谐波。依次类推，对于18脉冲，最低的谐波是17次和19次谐波。

4.7 合理布线

合理布线在相当程度上可削弱变频设备干扰信号的强度，合理布线应注意以下几个问题：①相关资料表明，干扰信号的强度与被干扰控制线路和干扰源之间的距离的平分成反比。因此，各种电网设备的控制线路加远离变频设备输入、输出电路；②两条控制线应相纹使用，这是因为在两条相邻的绞线中，通过电磁感应产生的电动势极性总是相反的，这样较好地抑制了电磁感应干扰；③由于控制线与变频设备输入、输出线越是平行，电磁感应和静电感应越严重，干扰信号也越强。控制线与变频设备输入、输出线应尽量交叉排列，最好是垂直交叉，

4.8 变频器控制方式的完善

随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络化等高新技术的发展，变频器控制方式也有很大变化，如数字控制变频器，变频器数字化采用单片机MCS51或80C196M及PLC为核心等，辅助以SLE4520或EPLD液晶显示器等来实现更加完善的控制性能，单一的控制方式有着各自的缺点，如果将这些单一控制方式结合起来，可以取长补短，从而达到降低谐波、提高效率的功效。在编制软件时适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增强系统自身的抗干扰能力。

5 结束语

总之，随着变频器使用范围的加大，变频器高次谐波带来的电磁干扰和污染问题也越来越突出，要减少谐波对供电系统的影响，最根本的是从产生谐波的源头抓起，设法在谐波源附近防止谐波电流的产生，从而降低谐波电压。解决供电系统中的谐波问题，必须要供电部门、电力用户和设备制造商三方面都以电磁兼容的思想为基本出发点，一方面，产生谐波的部门和单位要尽量限制谐波的发射水平；生产变频器的厂家生产绿色变频器，用户购买使用绿色变频器；另一方面，供电部门和电力用户都要想方设法提高设备抗御谐波骚扰的能力。只有供、用、造3方面齐心协力，才能将变频器产生的谐波控制在最小范围之内，以达到抑制电网污染、提高电能质量的目的。

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2 于化龙.浅析变频器谐波产生的危害及解决方案［J］.煤炭工程，2009（11）

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