摘要：采用变频器驱动的电动机系统因其节能效果明显，调节方便维护简单，网络化等优点，而被越来越多的应用，但它的非线性，冲击性用电的工作方式，带来的谐波问题亦倍受关注。因此，分析变频器谐波产生的原因和危害，并针对这一问题提出相应的对策就显得相当重要。本文就是从变频器的内部结构入手，就抑制谐波的问题展开论述。
关键词：变频器 谐波的产生危害 抑
一、变频器的优势
当今变频器产业得到飞速发展，变频器产品的产业化规模日趋壮大。从20 世纪90 年代以来，随着人们节能环保意识的加强，变频器的应用越来越普及。其优势主要体现在以下几个方面：
（1）控制电机的起动电流
当电机通过工频直接起动时，它将会产生7 到8 倍的电机额定电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力，并产生热量，从而降低电机的寿命。而变频调速则可以在零速零电压起动（当然可以适当加转矩提升），一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照V/F 或矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分降低起动电流提高绕组承受力。用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低，电机的寿命则相应增加。
（2）降低电力线路电压波动
在电机工频起动时电流剧增的同时，电压也会大幅度波动。电压下降的幅度将取决于起动电机的功率大小和配电网的容量。电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常，如PC 机传感器接近开关和接触器等，均会动作出错。而采用变频调速后，由于能在零频零压时逐步起动，则能最大程度上消除电压下降。
（3）可调的运行速度
运用变频调速，能优化工艺过程，还能通过远控 PLC 或其他控制器来实现速度变化。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。当三相交流异步电动机在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用N表示
N=60f/p(r/min) （1）
式中：f—三相交流电源频率，一般为50Hz；p—磁极对数。当p=1时，N=3000r/min；p=2时，N=1500r/min。可见磁极对数p越多，转速N越慢。
转子的实际转速n比磁场的同步转速N要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s表示：
s=[（N－n）/N]×100% （2）
当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；起动后的极端情况n=N，则s=0，即s在0～1之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=（1～6）%。
综合式（1）和式（2）可以得出
n=60f（1－s）/p （3）
由式（3）可以看出，对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。
二、谐波的产生
所谓谐波就是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整数倍，这也是国际上公认的谐波定义。在电力系统中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，即电路中有谐波产生。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大；变频器是一种非线性的电力电子装置，其产生的谐波主要是5、7次谐波。
变频器从结构可分为间接变频和直接变频两类。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。它的每相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。目前应用较多的还是间接变频器。
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。
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（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。
三、谐波的危害
一般来讲，变频器对容量大的电力系统影响不是十分明显，但是对于系统容量小的系统，谐波产生的干扰就不可忽视，对公用电网和其它系统的危害大致有：
（1）谐波使公用电网的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用率，大量的三次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。
（2）谐波影响各种电气元件的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪音和过电流，使电容器、电缆等设备过热，绝缘老化、寿命缩短以至损坏。
（3）谐波会引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述的危害大大的增加，甚至引起严重事故。
（4）谐波会对临近的通讯系统产生干扰，导致通讯质量降低，甚至信息的丢失，使通讯系统无法正常工作。
四、谐波的抑制
抑制谐波的方法有二，其一是装设谐波补偿装置来补偿谐波；其二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波；具体方法有以下几种：
（1）安装适当的电抗器
变频器的输入侧功率因数取决于装置内部的AC-DC变换电路系统，可利用并联功率因数校正DC电抗器，电源侧串联AC电抗器的方法，使进线电流的THDV大约降低30%-50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。
（2）装设有源电力滤波器
有源电力滤波器是串联或是并联于主电路中，实时检测电路中的谐波电流，即时产生一个与谐波电流大小相等，方向相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波电流。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，其特性不受系统的影响，无谐波放大。
（3）采用多相脉冲整流
12相脉冲整流THDV大约为10%-15%，18相脉冲整流的THDV约为3%-8%，满足国际标准的要求。缺点是需要专用变压器，不利于设备的改造，价格较高。
（4）使用滤波模块组件
滤波模块组件具有较强的抗干扰能力，同时还具有防止电器本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能。
减少或削弱变频器的方法还有：
（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）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；
（3）采用具有一定消除高频干扰的双积分A/D转换器；
（4）选用具有开关电源的仪表等低压电器；
（5）信号线与动力线分开配线，尽量使用双绞线降低共模干扰；
（6）在使用单片机、PLC等为核心的控制系统中，在编制软件的时候适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增强系统自身的抗干扰能力。
五、结论
变频器的广泛应用给人们带来巨大经济效益的同时也给电网带来了谐波危害，所以随着电力电子技术以及微电子技术等技术的飞速发展，在治理谐波问题上将会迈上一个新的台阶，将变频器产生的谐波控制在最小范围之内以达到抑制电网污染，提高电能质量。
参考文献
[1]大功率交-直-交变频调速及矢量控制技术.马小亮.著.机械工业出版社.
[2]变频器调速应用实践.张燕宾.著.机械工业出版社.
[3]通用变频器及其应用.韩安荣.著.机械工业出版社.
论文作者:岳国辉
论文发表刊物:《电力设备》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/19
标签：谐波论文; 变频器论文; 电流论文; 电机论文; 电压论文; 绕组论文; 频率论文; 《电力设备》2017年第14期论文;