淺析變頻器諧波產生的原因、危害及預防措施

李建軍　張恒艷

在交流變頻調速方式中，變頻器作為一種頻率可變的交流電動機驅動器，因其節能效果明顯、精度高、運行可靠、維護簡單等優點，已經廣泛應用于電力、機械、工業、生活等各個領域中。但變頻器主要組成器件是電力電子元件，具有非線性特性及其沖擊性用電工作方式，會產生大量諧波，嚴重干擾電力系統，所以變頻器諧波問題日益引起人們的關注。

一、變頻器諧波產生的主要原因

諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率，諧波頻率是基波頻率的整倍數。從結構組成上變頻器可分為直接變頻和間接變頻兩大類。目前應用較多的還是間接變頻器。間接變頻器主電路為交-直-交結構，外部輸入380V/50HZ工頻電源，經三相橋式不可控整流成直流電壓，經濾波電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可調的交流信號。變頻器就是利用這一原理將50Hz的工頻交流電通過整流和逆變轉換為頻率可調的交流電源。變頻器輸入部分為整流電路，輸出部分為逆變電路，這些都是由電力電子非線性元件組成的，這些電力電子裝置成為變頻器最主要的諧波源。因此在其開斷過程中其輸入端和輸出端都會產生諧波。

二、變頻器的諧波危害

變頻器諧波對容量大的電力系統影響不是十分明顯，但對于容量小的系統諧波產生的干擾不可忽視。諧波干擾對公用電網和其他系統的危害大致有以下五點：

1.增加了電網元件附加損耗，降低發電、輸電及用電設備使用率

如電流諧波增加變壓器的銅損，電壓諧波增加鐵損，從而使其溫度上升，影響絕緣能力，并造成容量閾閾值減小；同時諧波也可能引起變壓器繞組間電容之間的共振。

2.諧波影響各種電氣設備正常工作

變頻器輸出諧波使電機附加功率損耗、發熱；產生機械振動、噪聲、過電流及過電壓。斷路器因諧波的存在可能造成高的di／dt，使斷路器開斷困難，并且延長故障電流的切除時間。諧波會使電力電容發生過載、過熱甚至損壞電容器等。

3.諧波干擾臨近的通訊系統，導致通訊質量降低，使系統無法正常工作

諧波還會使計量儀表引起誤差降低精確度；對臨近的通信系統產生干擾，使其無法正常工作。

4.諧波將使繼電保護和自動裝置出現誤動作，并使儀表和電能計量出現較大誤差

諧波影響電子設備工作精度，使精密機械加工的產品質量降低，設備壽命縮短，家用電器工作狀況變壞等。

5.諧波引起公用電網局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大

這就使上述危害大大增加，甚至引起嚴重事故。

三、變頻器諧波的預防措施

變頻器使用方便、經濟和高效，但對電網注入了大量的諧波和無功功率，使電能質量不斷的惡化。所以應大力采取有效措施來預防變頻器諧波的產生，減少供電系統及用電設備的諧波污染。具體抑制諧波措施如下：

一是變頻器系統中應使用獨立的供電電源或在變頻器和其他用電設備的輸入側安裝隔離變壓器。

二是增加變頻器供電電源內阻抗。因為電源的內阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用，所以內阻抗越大諧波含量越小。

三是變頻器輸出側串聯AC電抗器。變頻器與電機間增加交流電抗器，減少傳輸過程中的電磁輻射。

四是安裝有源濾波器。有源濾波器應串聯或并聯于主電路中，實時地從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，從而消除諧波，使電網中電流只有基波分量。

五是采用多相脈沖整流。在條件允許或要求諧波限制在比較小的情況下，可采用多相整流的方法，但其缺點是需要專用變壓器，不利于設備的改造，成本費用較高。

六是開發無諧波污染的綠色變頻器。目前對于“綠色變頻器”有明確的品質標準要求，那就是輸出和輸入都為正弦波；輸入功率因數可控，帶任何負載都能使功率因數為1，可獲工頻上下任意可控的輸出頻率；變頻器內置的交流電抗器能有效抑制諧波，同時可以保護整流橋不受電源電壓瞬間尖波影響。

七是其他減小或削弱變頻器諧波的方法變頻器和電動機之間的電纜應穿鋼管且與其他弱電信號在不同電纜溝分開鋪設；使用具有隔離層的變壓器可以將大部分的傳導干擾隔離在變壓器之前；選用具有開關電源的儀表等低壓電器；變頻器使用專用接地線，且用粗短線接地。

綜上所述，隨著電力電子及微電子技術的飛速發展，變頻器必將得到日益廣泛的應用，同時分析和研究抑制變頻器諧波的方法也將成為一個非常重要的課題。

（作者單位：李建軍，山東省濟寧市液壓元件研究所；

張恒艷，山東省濟寧市技術學院）