淺談變頻器諧波產生原因與抑制

林 凱

（廣西產品質量監督檢驗院，廣西 南寧 530022）

目前，隨著異步電動機變頻調速技術的迅猛發展，變頻器因其節能效果顯著、調節方便、維護簡單等優點，在工業調速傳動領域得到廣泛應用，但在人們享受它便捷的同時，變頻器直——交逆變器的非線性等效負荷使得變頻器在許多系統集成工程中不僅污染工廠供電系統，還直接對自動化工程項目干擾，引起測控系統失準失靈，嚴重破壞大系統的穩定性，甚至變頻器自身的電子元器件、計算機芯片受到干擾，引發“自舉”式的調速故障。變頻器的諧波干擾問題成了人們亟待解決的問題。

1 變頻器概述

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，由主回路、電源回路、IPM驅動及保護回路、冷卻風扇等幾部分組成。從結構來看，變頻器可分為間接變頻和直接變頻兩類。間接變頻將工頻電流通過整流器變成直流，然后再經過逆變器將直流變換成可控頻率的交流；直接變頻器則將工頻交流變換成可控頻率的交流。沒有中間的直流環節。它的每相都是一個兩組晶閘管整流裝置反并聯的可逆線路。正反兩組按一定周期相互切換，在負荷上就獲得了交變輸出的電壓U0，U0的幅值決定于各整流裝置的控制角，頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率。目前應用較多的還是間接變頻器，間接變頻有3種不同的結構形式：①用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調壓和調頻分別是在兩個環節上進行；②用不控整流器整流斬波器變壓、逆變器變頻；③用不控整流器整流，脈寬調制逆變器PWM變頻。

2 諧波產生原因

諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。由于變頻器逆變電路的開關特性，對其供電電源形成了一個典型的非線性負載，因此當電流流經變頻器時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生了諧波，見圖1。

圖1 諧波產生圖

諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據法國數學家傅立葉分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以區分為偶次性與奇次性。在平衡的只相系統中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在，因此，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。

3 諧波的危害

（1）諧波對供電線路產生附加諧波損耗。諧波線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的浪費；由于中性線正常時流過電流很小，故其導線較細，當大量的三次諧波電流流過中性線時，會使導線過熱、絕緣老化、壽命縮短、損壞甚至發生火災。

（2）諧波影響各種電氣設備的正常工作。對發電機的影響是產生附加功率損耗、發熱、機械振動、噪聲和過電壓；對于斷路器，當電流波形過零點時，由于諧波的存在可能造成高的di/dt，這將使開斷困難，并且延長故障電流的切除時間。

（3）諧波會引起電網局部的并聯諧振和串聯諧振，從而放大諧波，危害增加，甚至引起嚴重事故。

（4）諧波會對臨近的通信系統產生干擾，導致通信質量降低、信息丟失、微處理器的系統程序運行失控，使通訊系統無法正常工作，尤其是在海上遠距離作業時影響更大，威脅著通信設備和人員的安全。

4 諧波抑制方法

4.1 使用無源或有源濾波器

（1）將無源濾波器安裝在變頻器的交流側。無源濾波器由L、C、R元件構成諧波共振回路，當LC回路的諧波頻率和某高次諧波電流頻率相同時，即可阻止高次諧波流入電網。無源濾波器投資少、頻率高、結構簡單、運行可靠、維護方便。

（2）加裝有源濾波器。加裝有源濾波器通過對電流中高次諧波進行檢測，檢測結果輸入與高次諧波成分具有相反相位的電流，以達到實時補償諧波電流的目的。與無源濾波器相比，具有高度可控性和快速響應性，這種一機多能特點可消除與系統阻抗發生諧振的危險，也可自動跟蹤補償變化的諧波。

4.2 安裝適當的電抗器

在變頻器的輸入電流中頻率較低的諧波分量（5次諧波、7次諧波、11次諧波、13次諧波等）所占的比重很高，它們除了可能干擾其他設備的正常運行之外，還因為它們消耗了大量的無功功率，使線路的功率因數大而下降。在輸入電路內串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。根據接線位置的不同，主要有交流電抗器和直流電抗器兩種。其中交流電抗器串聯在電源與變頻器的輸入側之間，直流電抗器串聯在整流橋和濾波電容器之間。

4.3 變頻器的隔離、屏蔽、接地

變頻器系統的供電電源與其他設備的供電電源相互獨立，或在變頻器和其他用電設備的輸入側安裝隔離變壓器?；蛘邔⒆冾l器放入鐵箱內，鐵箱外殼接地。同時變頻器輸出電源應盡量遠離控制電纜敷設（不小于50 mm間距），必須靠近敷設時盡量以正交角度跨越，必須平行敷設時盡量縮短平行段長度（不超過1 mm），輸出電纜應穿鋼管，將鋼管作電氣連通并可靠接地。

4.4 使用濾波模塊組件

目前市場上有很多專門用于抗傳導干擾的濾波模件或組件。這些濾波器具有較強的干擾能力，同時還具有防用電器本身的干擾傳導給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能。對各類用電設備有很多好處。

4.5 增加變壓器的容量，減少同路的阻抗及切斷傳輸線路法

由于非線性負載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產生一個畸變電壓降，而合成的畸變電壓波形加到與此同一線路上所接的其他負載，引起諧波電流在其上流過，因此，減少諧波危害的措施也可從加大電纜截面積，減少回路的阻抗方式來實現。目前，國內較多采用提高變壓器容量，增大電纜截面積，特別是加大中性線電纜截面，以及選用整定值較大的斷路器、熔斷器等保護元件等辦法，但此種方式不能從根本上消除諧波，反而降低了保護特性與功能，又加大了投資，增加供電系統的隱患。

4.6 使用無諧波污染的綠色變頻器

綠色變頻器的品質標準是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數可控，帶任何負載時都能使功率因數為 1，可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率。變頻器內置的交流電抗器，它能很好的抑制諧波，同時可以保護整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響，實踐表明，不帶電抗器的諧波電流明顯高于帶電抗器產生的諧波電流。為了減少諧波污染造成的干擾，可在變頻器的輸出回路安裝噪聲濾波器。并且在變頻器允許的情況下，降低變頻器的載波頻率。另外，在大功率變頻器中，通常使用12脈沖或18脈沖整流，這樣在電源中，通過消除最低次諧波來減少諧波含量。例如12脈沖，最低的諧波是11次、13次、23次、25次諧波。依次類推，對于18脈沖，最低的諧波是17次和19次諧波。

4.7 合理布線

合理布線在相當程度上可削弱變頻設備干擾信號的強度，合理布線應注意以下幾個問題：①相關資料表明，干擾信號的強度與被干擾控制線路和干擾源之間的距離的平分成反比。因此，各種電網設備的控制線路加遠離變頻設備輸入、輸出電路；②兩條控制線應相紋使用，這是因為在兩條相鄰的絞線中，通過電磁感應產生的電動勢極性總是相反的，這樣較好地抑制了電磁感應干擾；③由于控制線與變頻設備輸入、輸出線越是平行，電磁感應和靜電感應越嚴重，干擾信號也越強?？刂凭€與變頻設備輸入、輸出線應盡量交叉排列，最好是垂直交叉，

4.8 變頻器控制方式的完善

隨著電力電子技術、微電子技術、計算機網絡化等高新技術的發展，變頻器控制方式也有很大變化，如數字控制變頻器，變頻器數字化采用單片機MCS51或80C196M及PLC為核心等，輔助以SLE4520或EPLD液晶顯示器等來實現更加完善的控制性能，單一的控制方式有著各自的缺點，如果將這些單一控制方式結合起來，可以取長補短，從而達到降低諧波、提高效率的功效。在編制軟件時適當增加對檢測信號和輸出控制部分的軟件濾波，以增強系統自身的抗干擾能力。

5 結束語

總之，隨著變頻器使用范圍的加大，變頻器高次諧波帶來的電磁干擾和污染問題也越來越突出，要減少諧波對供電系統的影響，最根本的是從產生諧波的源頭抓起，設法在諧波源附近防止諧波電流的產生，從而降低諧波電壓。解決供電系統中的諧波問題，必須要供電部門、電力用戶和設備制造商三方面都以電磁兼容的思想為基本出發點，一方面，產生諧波的部門和單位要盡量限制諧波的發射水平；生產變頻器的廠家生產綠色變頻器，用戶購買使用綠色變頻器；另一方面，供電部門和電力用戶都要想方設法提高設備抗御諧波騷擾的能力。只有供、用、造3方面齊心協力，才能將變頻器產生的諧波控制在最小范圍之內，以達到抑制電網污染、提高電能質量的目的。

1 夏平波.變頻器的諧波干擾分析及解決方案［J］.中國科技信息，2009（10）

2 于化龍.淺析變頻器諧波產生的危害及解決方案［J］.煤炭工程，2009（11）

3 公維剛.淺談變頻器與諧波治理的問題［J］.內江科技，2009（12）