（华电能源哈尔滨第三发电厂 黑龙江哈尔滨 150024）
摘要：为节约能源和改善工艺控制，越来越多的工业过程利用节能控制设备来提高生产系统的综合效率。变频器驱动的电动机系统节能效果明显，无级调速，调节方便维护简单，网络化等优点，因而被越来越多的应用。但是变频器输出的PWM脉冲电压谐波成分丰富、脉冲频率高且上升沿陡直，这种状况与用50HZ的交流正弦波驱动电动机的状况大不相同，在能量转换过程中，电动机内部将不可避免地产生损耗，使电动机的温度升高。当温升超过最高容许工作温度时，电动机的使用寿命将大幅缩短。
关键词：变频器 整流 逆变 谐波
对于一台变频器来讲，它的输入端和输出端都会产生高次谐波，输入端的谐波会通过输入电源线对公用电网产生影响，造成公用电网的谐波污染。谐波问题是反应电能质量的重要指标，因而越来越受到重视。电厂采用变频器驱动的动力设备很多，也有同样的谐波问题，因而，研究变频器的谐波产生及其抑制办法是很必要的。
一 变频器结构简介及谐波的产生
根据高电压组成方式可分为直接高压型和高-低-高型；根据有无中间直流环节可以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。目前应用较多的是间接变频器，即交流—直流—交流变频器。
间接变频有三种不同的结构形式：（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，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 （3）用不控整流器整流，PWM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IGBT等）输出波形才会非常逼真的正弦波。现在常用变频器的原理图如图一所示：
图（一）
无论是哪一种的变频器，都大量使用了晶扎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正弦波，而是以脉动的断续方式向电网吸取电流，这种脉动电流和沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，经傅里叶分析可知，这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。
二 谐波危害
一般来讲，变频器对容量大的电力系统影响是不大的，但对容量小的系统，影响就不可忽略，谐波对公用电网是一种污染，其危害大致有以下几点：
（1）高次谐波电流导致输电电缆的附加损耗；大量三次谐波电流流过中线时，电缆老化加速，绝缘水平下降，严重可能导致线路过热，甚至发生火灾。
（2）变频器一般给电机供电，其产生的高次谐波对电机的影响很大，不仅导致电机损耗增大，发热增加，效率降低，还会产生机械振动、噪音和过电流，降低电机使用寿命。
（3）谐波电流流过变压器绕组，增加附加损耗，使绕组发热，加速绝缘老化。
（4）对附近电子设备的影响：使某些电气测量仪表的误差增大，导致继电保护和自动装置的误动作，对附近的通讯设备产生干扰等。
（5）对一些基于谐波原理（比如负序、三次谐波等）的保护装置产生干扰，导致误动。
（6）容易使无功补偿装置(并联电容器)发生谐振，造成过电压或过电流，使补偿装置加速老化。
（7）高次谐波通过通路流入公用电网，会对其它设备造成影响。
三 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，对于我厂来说，电机数量众多，其中变频器供电条件下的电机数量也很多，考虑谐波问题也是必要的。目前我厂6KV大型电动机是直接供电的方式，节能效果不理想。当前企业节能和成本控制意识逐渐增强，不少电厂6KV系统电机已采用变频器供电，谐波方面的影响不可不可虑，也是不可小觑的。谐波的控制也是一个很大的研究课题，现将主要谐波抑制方法简要介绍如下：
(1)采用无源电力滤波器
无源滤波器主要利用RCL串并联电路，对高次谐波产生很大的阻抗，而对工频基本没什么影响，从而达到抑制谐波分量的效果。无源滤波的有点是价格便宜，容量大，运行稳定，技术也相对成熟，缺点是谐波消除率只有80%左右。
(2)采用有源电力滤波器
有源滤波自身就是谐波源。其依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时对谐波信号进行分析处理，得到谐波信号作为PWM的调制信号，使其产生一组和系统幅值相等，相位相反的谐波向量，这样可以抵消掉系统谐波，使其成为正弦波形。其原理图如下：
图（二）
有源滤波器优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95％以上，补偿无功细致。缺点为价格高，容量小，技术上也不太成熟。
（3）采用混合型电力滤波器
由于以上两种滤波器都有自己技术上的缺点，目前在容量大而且要求补偿效果较好的地方，较常用的是混合型的电力滤波器，即无源进行大容量的滤波补偿，有源进行微调。
以上代表着抑制谐波的三种主要思路。当然对于简单的系统，采用复杂的设备抑制谐波似乎没什么必要，消弱变频器谐波影响的方法还有以下几点：
(1)在变频器与电动机之间增加交流电抗器，以减少传输过程中的电磁辐射。
(2)变频器和电机的距离应该尽量的短。这样减小了电缆的对地电容，减少干扰的发射源。
(3)信号线与动力线分开配线，尽量使用双绞线降低共模干扰。
(4)使用具有间隔层的变压器，可以将绝大部分的传导干扰隔离在变压器之前
(5)现在不少电子器件本身增加了软件滤波功能，从而减少对电子器件的影响。
(6)采用产生谐波分量较少的变频器，从根本上减少谐波分量。
当然，抑制高次谐波，方法很多，仁者见仁，智者见智，重要是选择经济合适的方法来达到减少或削弱谐波影响的方法，抑制变频器谐波的方法对其他设备的谐波抑制具有广泛的借鉴意义。
四 总结：
变频器的使用给人们带来了方便和巨大的利益，它必将更为普遍的使用。但是由于它所特有的工作方式，给公用电网和电力设备带来了一定的破坏，成为电网谐波污染源之一。值得注意的是电厂里其它的非线性元件也产生不少谐波分量，比如电除尘、励磁变整流柜、一些电子装置等等，当含量达到一定数值，不考虑是不行的。所以，分析和研究抑制谐波的方法将成为一个非常重要的课题。
参考文献：
[1].电力电子技术,王兆安.黄俊.主编.化学工业出版社
[2].变频调速技术,曾允文编,机械工业出版社
[3].电力电子滤波技术及其应用,曲学基等编,电子工业出版社
论文作者:徐玉杰
论文发表刊物:《电力设备》2016年第14期
论文发表时间:2016/10/13
标签：谐波论文; 变频器论文; 电网论文; 抑制论文; 滤波器论文; 无源论文; 电动机论文; 《电力设备》2016年第14期论文;