变频器谐波的危害及对设备的影响

1.引言

变频技术已广泛应用于变频空调、变频电冰箱、变频微波炉、变频器洗衣机、变频电磁炉、变频电机、伺服电机……这些都是变频技术给大众带来的公益性，更主要的是能够实实在在给我们带来实惠。变频技术在节能、提高产品质量、提高自动控制、增加设备使用寿命、增加环境舒适性等方面发挥着巨大的作用。但它并非没有缺点，也产生了一些负面作用，比如在各行业应用中会对电网产生污染或不良影响。

2．变频调速器产生谐波

图1.1 变频器主电路

变频技术中最具代表性的是“变频调速装置”，全称是交流变频调速器，用于交流电机，在调整输出频率的同时按比例调整输出电压，从而改变电机转速，以达到交流电机调速的目的。变频调速器分为交-交和交-直-交两种形式，国产变频调速器的主电路一般为交-直-交组成，本文主要讨论交-直-交变频调速器，其基本结构如图1.1所示。交-直-交变频器是先把工频交流电通过三相整流器变成直流电（直流环节可以是电感器或是电容器），然后再把直流电变换成频率、电压均可调控的交流电；主电路包括整流器、直流环节、逆变器。

由于变频器采用的电路结构是“整流器—电容/电感器—逆变器”，无论是整流器或是逆变器都具有非线性特性，所以它会产生高次谐波。这种高次谐波会使输入电源的电压波形和电流波形发生畸变。如果不采取有效抑制措施，它对各种电气设备，自动化装置、计算机、计量仪器以及通信系统均有不同程度的影响。对于供电线路来说，由于高次谐波的作用，恶化了电网质量指标，降低了电网的可靠性，增加了电网损失，缩短了电气设备的寿命。

3．谐波和无功功率的产生

3．1在输入侧产生谐波机理

图1.2 三相桥式整流回路及输入侧波形

目前，国内电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的谐波源，其中就包括变频调速器。在变频调速器输入侧，整流电路所占的比例最大，如图1.2中（B）所示。目前，国内变频调速器常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。带阻感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟悉。变频调速器直流侧采用电容滤波或电感滤波的二极管整流电路也是严重的谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接近1。 但其输入电流为非正弦波，如图1.2中（A）所示，它含有丰富的高次谐波成分，给电网造成严重污染，也使得总的功率因数降低。

变频调速装置属于非线性装置也要消耗无功功率，如三相桥式整流电路在调整电压时，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，谐波源都是要消耗无功功率的。二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同，所以基本不消耗基波无功功率。但是它也产生大量的谐波电流，因此也消耗一定的无功功率。

3．2在输出侧产生谐波机理

图1.3 逆变回路及输出侧波形

在逆变输出回路中，输出电压和输出电流均有谐波。如图1.3中（C）所示，由于变频器是通过DSP产生6路脉宽可调的PWM波控制三相的6组功率元件导通/关断，从而形成电压、频率可调的三相输出电压。其输出电压和输出电流是由PWM波和三角载波的交点产生的，不是标准的正弦波，如电压型变频器，其输出电压波形为方形波，如图1.3中（A）所示，用傅氏级数分解电压方波和电流正弦锯齿波可分析出包含较强的高次谐波成分，高次谐波对设备产生很强的干扰，甚至造成设备不能使用，周围仪器信号失真。谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。输出电流中也具有频率很高的高次谐波成分，如图1.3中（B）所示。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。其中谐波频率的高低与变频器调制频率有关，调制频率低（1-2KHz），人耳听得见高次谐波产生的电磁噪声（尖叫声）；若调制频率高（如IGBT变频器可达20KHz），人耳听不见，但高频信号客观存在。从电力方波及电流正波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外，高谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰附近电器设备。

4．谐波的危害及对设备的影响

由于变频调速技术的不断扩大，因此谐波污染电力系统及周围设备的影响就日益严重，甚至造成其它电子设备不能正常工作。例如：

（1）增加了电网中产生谐振的可能性，从而造成很高的过电流或过电压而引发事故的危险性。

（2）增加附加损耗，如电流谐波将会使变压器的铜损增加。电压谐波将增加铁损。

（3）使电气设备（如电动机、电容器、变压器等）使用不正常，产生发热损耗、机械震动、噪音、输出功率损耗；从而导致电机过热，加速绝缘老化，从而缩短它们的使用寿命。

（4）使测量和计量仪器、仪表、自动装置、计算机系统，以及许多用电设备运转不正常，影响设备测量精度，出现误动作或误差，使机械产品加工质量降低。

（5）干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损坏通信设备。

（6）某些情况下，它不仅产生谐波，而且还引起供电电压波动和闪变，甚至引起三相电压不平衡，会危及电网安全经济运行，并影响电气设备的正常使用。

5．减小和防止谐波的方法

为了减小高次谐波产生的干扰，原则上应该对发生源（变频器）进行抑制。对小容量的变频调速器，高次谐波很少，当使用大容量时，往往会产生高次谐波电流和高次谐波干扰问题，为解决变频调速装置的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造（例如结构、工艺、控制等），使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。因此对于高次谐波先采取适当的对策和预防措施。具体方法如下：

5.1增加电抗器

电抗器分交流电抗器（包括输入与输出电抗器）与直流电抗器，如图1.4、1.5所示。选择合适的电抗器与变频器配套使用，可以起到如下效果：

（1）可以抑制谐波电流，抑制电动机噪声，抑制输入中的浪涌电流；

（2）可以降低变频器系统所产生的谐波总量，提高功率因数；

（3）可以抑制来自电网的浪涌电流对变频器的冲击；

（4）可以保护变频器，提高变频器和电机的可靠运行；

（5）可以补偿连接长导线的充电电流，从而使电动机在引线较长时也能正常工作。

图1.4 交流电抗器

图1.5 直流电抗器

安装电抗器应注意以下几个问题：

（1）电抗器必须安装在距离变频器最近的地方，尽量缩短与变频器的引线距离。

（2）不能将电源线扭成绳或辫，尽量与控制线分开走线。

（3）为了避免电抗器在使用和运输过程中震动损坏，请于安装时将螺丝紧固，以免产生噪音与事故。

5.2加装EMI 滤波器

图1.6所示，滤波器的作用是为了抑制从导线及金属管线上传导无线信号到设备中去，将来自变频器的高次谐波分量与电源系统的阻抗分离，或者抑制干扰信号从干扰源设备通过电源线传导到外边去。此处是抑制干扰信号从变频器通过电源线传导到电源或电动机去。

加装EMI滤波器，还可以减少电磁噪声和损耗。很多人认为EMI电源滤波器的作用是使设备能够满足电磁兼容标准中对传导发射和传导敏感度的要求，但这是不全面的。EMI电源滤波器对抑制设备产生的较强辐射干扰方面也很重要，合理的解释是：EMI电源滤波器能防止设备本身产生的干扰进人电源线，同时防止电源线上的干扰进入设备。

图1.6 EMI滤波器

5.3其它措施与方法

（1） 在高频冲击负载如电焊机、电镀电源、电解电源等场合建议用户增加无功静补装置，提高电网功率因数和质量。

（2） 在变频器比较集中的车间，建议采用集中整流，直流共母线供电方式。建议用户采用脉冲整流模式。优点是，谐波小、节能，特别适用于频繁起制动、电动运行与发电运行同时进行的场合。

（3） 变频器输入侧加装有源PFC装置，效果最好，但成本较高。

（4） 改善变频器结构，减少变频系统注入电网的谐波、无功等污染。

（5）提高变频器载波频率，可以有效抑制低次谐波。PWM输出的载波频率对电机的噪声有很大的影响，对变频器的干扰也有影响。所以只要载波频率足够大，较低次谐波就可以被有效地抑制。

（6） 采用更合适的控制策略来优化或改进，可以更大限度地减少谐波的产生；如在实际应用中常用的正弦脉冲宽调制法（SPWM）和特定消谐法（SHE）。

6．结语

虽然变频调速器在国内应用得很成功，也得到了用户和专家的好评，但我们也清醒地认识到这是一种鼓励，实际上产品性能的完善、长期可靠性以及减少对电网产生的污染等还有很长的路要走，我们在提高产品竟争力、品牌形象时，还要进一步优化控制方式、完善结构设计、降低谐波污染、为各行业提供更优良的变频设备。只要我们一步一个脚印的把变频事业做好做强，国内民族品牌的前景一定会越来越好。