抚顺石化工程建设有限公司 辽宁抚顺 113006
摘要：本文从谐波的概念入手，结合变频器内部结构知识,分析变频器谐波产生的原因及危害,为此提出抑制谐波的常用方法。
关键词：变频器 谐波 危害 抑制
前言
在抚顺石化生产装置的调速传动领域中，用变频器调速有诸多优点，故其应用范围十分广泛，但由于变频器逆变电路的开关特性，其对供电电源形成了一个典型的非线性负载，目前的变频器几乎都采用了脉冲宽度调制（PWM）控制方式，使得变频器运行时在电源侧产生高次谐波电流，造成电压波形的畸变，对电源系统产生严重影响。而实际生产过程中变频器与其它设备同时运行，如安装很近的仪表，可能会造成相互的影响，所以必须采取抑制谐波产生干扰的措施。变频器是电源电网中最主要的谐波源之一，其对电力系统电能质量有着重要影响。
一 变频器原理及其谐波的产生
变频器在抚顺石化装置调速领域有大量的使用。它是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源电压变换为需要频率的电能控制装置。现使用的变频器一般采用是交-直-交结构（如图1），它是把工频交流电（50HZ）经过整流转换成直流电，再把直流电转换成频率、电压均可控制的交流电源供给电动机，实现电机的变速运行。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成，整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为绝缘栅双极型晶体管（IGBT）三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。其中控制电路完成对主电路的控制，变频调速装置用于交流异步电动机的调速，调速范围广、节能显著、稳定可靠。
图1 一般变频器为交－直－交结构
电机的转速和电源的频率是线性关系。
变频器是将50Hz的工频电通过整流和逆变转换为频率可调的交流电源。变频器输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路，这些都是由非线性原件组成的，在开断过程中，其输入端和输出端都会产生高次的谐波。另外变频器输入端的谐波还会通过输入电源线对公用电网产生影响。
从结构上来看，变频器应用较多的是交-直-交变频器。电路为交-直-交，外部输入的工频电源，经整流成直流电，滤波电容滤波及大功率晶体管元件逆变为频率可调的交流电。
变频器输入侧产生谐波机理：就变频器而言，只要是电源侧有整流回路的，都将产生因非线性引起的谐波。以三相桥式整流电路为例，交流电网电压为正弦波，交流输入电流波形为方波，按傅氏级数可分解为基波和各次谐波，通常含有6m±1(m=1,2,…)次谐波，其中高次谐波干扰电源电网。单个基波与几个高次谐波组合一起被称为畸波（如图2）。
图2 基波与高次谐波、畸波
在采样控制中有一个重要结论：冲量相等而形状不同窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。此结论是PWM控制的重要理论基础。把如图3a的正弦半波分成N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉宽相等，都等于π/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到了如图3b所示脉冲序列，这就是PWM波形。对于正弦波负半周用同样办法也可以得到PWM波形。像这种把正弦波等效的PWM波形也称为正弦脉冲宽度调制Sine Pulse Width Modulation （缩写为SPWM）波形。
图3 PWM控制的基本原理示意图
变频器输出侧产生谐波的机理：逆变输出电压和电流均有谐波。由于变频器是通过CPU产生六组脉宽可调的SPWM波控制三相六组功率元件的导通/关断，从而形成电压、频率可调的三相输出电压。如电压型变频器，其输出电压波形为方形波，这种波经分析，含有较强的高次谐波成分，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。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。
二 谐波的危害
谐波电流和谐波电压的出现，会给周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。谐波对电力系统危害的严重性主要表现在：
(1) 谐波对供电线路产生了附加谐波损耗。由于集肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加而提高，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、损坏甚至发生火灾。
(2) 谐波对电动机的影响除产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声以及过电压；对断路器，当电流波形过零点时，将使开断困难，延长故障电流的切除时间。
(3) 谐波使电网中的电容器产生谐振。谐波频率时，感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备被烧毁。
(4) 谐波引起电源电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，上述危害性大增，甚至引起严重事故。
(5) 谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，电能计量误差加大；谐波对附近的通信系统产生干扰，无法正常工作；影响其它的电子、电气设备，造成设备寿命缩短、变坏等。
三 谐波的抑制
抑制谐波的总体思路有三个：其一装设谐波补偿装置；其二对电力系统装置本身进行改造，；其三在电网系统中采用适当的措施来抑制谐波。
1、选用适当的输入电抗器
在电源与变频器输入之间串联交流电抗器（如图4），可使整流阻抗增大来有效抑制高次谐波电流，这种接线能使电流的波形畸变大约降低30～50%左右。
图4 串联交流电抗器
下列情况下建议使用输入交流电抗器：
a) 变频器所用之处的电源容量与变频器容量之比为10：1以上；
b) 同一电源上接有晶闸管设备或带有开关控制的功率因数补偿装置；
c) 三相电源的电压不平衡度≥3％；
由于交流电抗器体积较大，成本较高，变频器功率＞30kW时才考虑配置交流电抗器。
2）在直流环节串联直流电抗器
直流电抗器串联在直流端子+，-之间，主要是减小输入电流的高次谐波成分，提高输入电源的功率因数。此电抗器可与交流电抗器同时使用。
3）输出电抗器
由于电机与变频器之间的电缆存在分布电容，尤其是在电缆距离较长，变频器经逆变输出后调制方波会在电路上产生一定的过电压，可在变频器和电机间连接输出电抗器来进行限制（如图5）。
图5 串联输出电抗器
2、 选用适当滤波器
在变频器的输入、输出电路中，有许多高频谐波电流，滤波器用于抑制变频器产生的电磁干扰噪声的传导，也可抑制外界无线电干扰以及瞬时冲击、浪涌对变频器的干扰。
(1) 线路滤波器串联在变频器的输入侧，由电感线圈组成，通过增大电路阻抗减小频率较高的谐波电流。
(2) 辐射滤波器并联在电源与变频器的输入侧，由高频电容器组成，可以吸收频率较高具有辐射能量的谐波成分。线路滤波器和辐射滤波器同时使用效果更好。
3、采用多相脉冲整流
4 、减少或削弱谐波的方法
(1) 当电机电缆长度大于50米时，在变频器与电动机之间安装交流电抗器。
(2) 使用具有隔离的变压器。
(3) 屏蔽辐射，电缆穿钢管敷设或用铠装电缆，分走不同的电缆沟，变频器使用专用接地线等。
(4) 选用具有开关电源的仪表等。
(6) 在控制系统中，增加对检测信号和输出控制部分的信号滤波。
4 结论
变频调速的应用使交流传动上了一个新台阶，但谐波干扰也给设备稳定运行带来威胁，如何才能最大限度的抑制变频器谐波产生仍是摆在现今电气技术人员面前有待解决的最大课题。本文提出的抑制谐波的方法，对现场出现的变频器高次谐波干扰，基本能抑制干扰。
参考文献：
[1] 韩安荣.通用变频器及其应用第2版.机械工业出版社,2003.8
[2] 吴忠智、吴加林.变频器原理及应用指南.中国电力出版社,2007.9
[3] 张选正、张金远.变频器应用技术与实践.中国电力出版社,2009.5
论文作者:张超
论文发表刊物:《防护工程》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/21
标签：谐波论文; 变频器论文; 电流论文; 波形论文; 脉冲论文; 电源论文; 电压论文; 《防护工程》2017年第18期论文;