第一篇：變頻器應(yīng)用 諧波產(chǎn)生對電力系統(tǒng)影響及相應(yīng)措施

變頻器廣泛應(yīng)用對電力系統(tǒng)的影響 引言

變頻器主要用于交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是理想的調(diào)速方案，隨著中國經(jīng)濟(jì)的整體快速發(fā)展，市場對產(chǎn)品的要求逐步提高，變頻調(diào)速以其自身所具有的調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，在許多需要精確速度控制的應(yīng)用中發(fā)揮著提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的作用。其除了具有優(yōu)良的調(diào)速性能之外，還有顯著的節(jié)能效果，不僅在相關(guān)工業(yè)行業(yè)，變頻家電在節(jié)約電費(fèi)、提高家電性能、保護(hù)環(huán)境等方面的優(yōu)勢也得到了用戶的普遍認(rèn)可和廣泛應(yīng)用[1][2]。

然而變頻器在節(jié)能、改善人類生活環(huán)境、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及提高工業(yè)自動化程度方面做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)也將產(chǎn)生一些負(fù)面效應(yīng)。變頻器產(chǎn)生諧波

變頻器根據(jù)有無中間直流環(huán)節(jié)來分，可以分為交交變頻器和交直交變頻器，在交直交變頻器中，按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，可分為電壓源型和電流源型。交交變頻器結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，其只能降低頻率，同時(shí)輸出電壓波形中含有較大的諧波，輸入電流諧波嚴(yán)重且功率因數(shù)低，在很多應(yīng)用領(lǐng)域，這些都是不能接受的技術(shù)缺陷，往往采用具有中間直流環(huán)節(jié)的交直交變頻器。

交直交變頻器結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，由于交直交變頻器中含有整流電路，可控硅元件的導(dǎo)通與關(guān)斷同樣會因其非線性產(chǎn)生諧波，從設(shè)備流出的諧波因變流器回路的種類及其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、系統(tǒng)條件等不同產(chǎn)生不同的影響[3]。

2.1 諧波的產(chǎn)生

變頻器輸入部分電壓主波形為正弦波，但電流波形為非正弦波，這是由整流環(huán)節(jié)及其開關(guān)元件的參數(shù)離散所引起的[4]。目前，變頻器大部分采用三相橋式整流電路，輸入電流的波形為三相對稱的矩形波，經(jīng)傅立葉級數(shù)分解為基波和6n+1次特征諧波（n=l，2，3，），但實(shí)際上由于存在換相重疊角、觸發(fā)脈沖不平衡等不定因素，使得少量的非特征諧波同時(shí)存在。諧波含有率隨變頻器輸出電壓升高而減小，而基本不受其輸出頻率和電流的影響[7]。具體輸入側(cè)電流各次諧波的實(shí)測值見圖3，可見主要是5次、7次、11次、13次等特征諧波，同時(shí)含有少量的非特征諧波[5]。

圖4 電壓性逆變器的輸出電壓

變頻器逆變環(huán)節(jié)往往采用正弦脈寬調(diào)制法（SPWM）法，其輸出部分線電壓是正弦脈寬、幅值相等的窄矩形波，其三相的相電壓是階梯波，如圖4所示，其非線性是由SPWM脈寬調(diào)制的性質(zhì)所定的；電流波形和載波頻率比有關(guān)，載波頻率比越高，越接近正弦波，波形中會含有和載波頻率相關(guān)的高次諧波，高次諧波電流對負(fù)載直接干擾，還會通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。

隨著變頻器在各行各業(yè)的應(yīng)用面擴(kuò)大，單機(jī)容量的加大和使用變頻器的總?cè)萘康脑龃?，因此諧波污染電源及對周圍其他設(shè)備的影響就日益嚴(yán)重，甚至造成其他電子設(shè)備不能正常工作。特別是供電線路上通常連接電力電容器，很容易產(chǎn)生并聯(lián)諧振，使整流器和其它電器設(shè)備因過電流絕緣損壞或燒壞。這樣的事故近幾年的發(fā)生率呈上升趨勢。

2.2 變頻器周圍電氣設(shè)備受諧波的影響

連接變頻器的電源系統(tǒng)往往有并聯(lián)有電力電容器、發(fā)電機(jī)、變壓器、電動機(jī)等負(fù)載，變頻器產(chǎn)生的高次諧波電流按著各自的阻抗分配到電源系統(tǒng)和并聯(lián)負(fù)載．下面敘述高次諧波電流對各電器設(shè)備的影響。

（1）電力電容器

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一般電容器最大電流只允許35％的超載。實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于諧波的影響常發(fā)生嚴(yán)重過載。電容器阻抗隨頻率的增加而減少，故產(chǎn)生諧波時(shí)，電容器即成為一陷流點(diǎn)流人大量電流，導(dǎo)致過熱、增加介電質(zhì)的應(yīng)力，甚至損壞電力電容器。當(dāng)電容器與線路阻抗達(dá)到共振條件時(shí)，會發(fā)生振動短路、過電流及產(chǎn)生噪聲[8]。

（2）同步發(fā)電機(jī)

變頻器產(chǎn)生的高次諧波電流在同步發(fā)電機(jī)的激磁繞組中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，引起損耗增加，可能導(dǎo)致電機(jī)過熱、絕緣降低、壽命縮短等[2]。

（3）變壓器

電流諧波將增加變壓器銅損，電壓諧波將增加鐵損，綜合效果是使變壓器溫度上升，影響其絕緣能力，并造成容量裕度減小。諧波也可能引起變壓器繞組及線間電容之間共振，及引起鐵心磁通飽和而產(chǎn)生噪聲。（4）電動機(jī)

諧波會引起電動機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電動機(jī)額外溫升，電動機(jī)往往要降額使用。如果輸入電動機(jī)的波形失真，會增加其重復(fù)峰值電壓，影響電動機(jī)的絕緣 [2]。

（5）電力電子設(shè)備

電力電子設(shè)備在多種場合是產(chǎn)生諧波的諧波源，但他自身也很容易感受諧波失真而誤動作。這種設(shè)備靠著電壓的過零點(diǎn)或電壓波形來控制或操作，若電壓有諧波成分時(shí)，零點(diǎn)移動、波形改變，造成許多誤動作[6]。（6）保護(hù)繼電器

由于高次諧波的影響，可能引起繼電器過電壓、產(chǎn)生絕緣損壞、振動引起的機(jī)械破壞等等。對于以有效值為基準(zhǔn)而動作的繼電器，高次諧波的存在使得繼電器在接近額定值處也有誤動作的可能[3]。

（7）指示電氣儀表

電能表等計(jì)量儀表會因諧波而造成感應(yīng)轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩，引起誤差，降低精確度。20％的5次諧波將產(chǎn)生10％-15％的誤差。過大的諧波電流，也很容易使儀器里的線圈損壞[8]。

2.3 變頻器諧波抑制措施

對小容量的通用變頻器，高次諧波很少成為問題，但當(dāng)使用的變頻器容量大或數(shù)量多時(shí)，往往就會產(chǎn)生高次諧波電流和高次諧波干擾問題，因此對于高次諧波先采取適當(dāng)?shù)膶Σ吆皖A(yù)防措施是非常重要的。

2.3.1 改善變頻器結(jié)構(gòu)

可以從變頻器自身硬件結(jié)構(gòu)或者整個(gè)變頻系統(tǒng)的構(gòu)建方式和設(shè)備選擇等方面考慮，從根本上減少變頻系統(tǒng)注入電網(wǎng)的諧波、無功等污染。（1）變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立，或在變頻器和其他用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器[9]；

（2）在整流環(huán)節(jié)采用多重化技術(shù)，提高脈波數(shù)，可以有效地提高特征諧波次數(shù)，降低特征諧波幅值。對于大容量晶閘管變頻器可以采取這種方法，利用多重化抑制流向電源側(cè)的高次諧波[11]；

5678另外，還可以綜合整流、逆變環(huán)節(jié)考慮，合理確定整流和逆變電路的開關(guān)觸發(fā)角，使整流電路輸入電流的三相波形盡量對稱，這個(gè)方面還有待進(jìn)一步的研究。不合格電能對變頻器本身的影響

變頻器產(chǎn)生諧波以及造成功率因數(shù)不平衡破壞電網(wǎng)的電能質(zhì)量，大量變頻器的廣泛應(yīng)用對電網(wǎng)造成的污染越來越嚴(yán)重，首當(dāng)其沖的是影響到其自身的正常運(yùn)行。變頻器產(chǎn)生的諧波電流在系統(tǒng)阻抗上產(chǎn)生壓降，使得其輸入電壓波形發(fā)生畸變，長時(shí)間運(yùn)行在這樣的環(huán)境下，開關(guān)損耗大大增加，開關(guān)元件壽命大大縮短，變頻器很容易損壞；變頻器在輸入波形失真的情況下長時(shí)間運(yùn)行，會導(dǎo)致整流環(huán)節(jié)控制失靈[6]，引起開關(guān)元件誤動作，甚至在開關(guān)過程產(chǎn)生過電壓燒壞元器件；如果不及時(shí)采取相應(yīng)措施改善輸入波形，不僅影響到變頻器的正常工作，還會造成分別與變頻器輸入端和輸出端連接的相關(guān)電氣設(shè)備燒損。這樣的實(shí)例也越來越多，在近幾年的工作中已經(jīng)多次目睹類似事故。結(jié)束語

大量變頻器的廣泛應(yīng)用對電網(wǎng)造成的污染越來越嚴(yán)重，以諧波污染最為典型，其他方面的不良影響也隨著對變頻器的深入研究開始逐漸凸現(xiàn)，放任問題的嚴(yán)重化和擴(kuò)大化而不提前采取合理有效的措施，無論從諧波治理效果還是治理成本方面考慮都是流失最佳時(shí)機(jī)。本文從硬件結(jié)構(gòu)、控制策略以及外接濾波電路等三個(gè)方面提出了一系列抑制變頻器諧波污染的方法和措施，變頻器不同環(huán)節(jié)產(chǎn)生的諧波有針對的抑制措施，對于變頻系統(tǒng)一個(gè)整體而言，綜合應(yīng)用各種措施對于改善變頻系統(tǒng)的輸入輸出波形指標(biāo)會更有效；另外本文對變頻器低載時(shí)產(chǎn)生的輸入電流不對稱引起功率因數(shù)不平衡現(xiàn)象作了分析，并提出了相應(yīng)的改善建議。

第二篇：變頻器產(chǎn)生的諧波危害及解決方法

變頻器產(chǎn)生的諧波危害及解決措施

變頻器是工業(yè)調(diào)速傳動領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的設(shè)備，由于變頻器逆變電路的開關(guān)特性，對其供電電源形成了一個(gè)典型的非線性負(fù)載。變頻器在現(xiàn)場通常與其它設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，例如計(jì)算機(jī)和傳感器，這些設(shè)備常常安裝得很近，這樣可能會造成相互影響。因此，以變頻器為代表的電力電子裝置是公用電網(wǎng)中最主要的諧波源之一，電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染已成為阻礙電力電子技術(shù)自身發(fā)展的重大障礙。相關(guān)的定義

1.1 什么是諧波

諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國數(shù)學(xué)家傅立葉(M．Fourier)分析原理證明，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個(gè)諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以I區(qū)分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號的為奇次諧波，而2、1 4，6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時(shí)，2次諧波為lOOHz，3次諧波則是150Hz。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。對于三相整流負(fù)載，出現(xiàn)的諧波電流是6n±1次諧波，例如5、7，11、13、17、19等，變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。諧波定義示意圖如圖1所示。

1.2 諧波治理的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

變頻器諧波治理應(yīng)注意下面幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn): 抗干擾標(biāo)準(zhǔn)：EN50082-

1、-2，EN61800-3；

輻射標(biāo)準(zhǔn)：EN5008l-

1、-2，EN61800-3。

特別是IECl0003、IECl800-3(EN61800-3)、IEC555(EN60555)和IEEE519-1992。

普通的抗干擾標(biāo)準(zhǔn)EN50081和EN50082以及針對變頻器的標(biāo)準(zhǔn)EN61800(1ECl800-3)定義了設(shè)備在不同的環(huán)境中運(yùn)行時(shí)的輻射及抗干擾的水平。上述標(biāo)準(zhǔn)定義了在不同環(huán)境條件下的可接受輻射等級：L級，無輻射限制。適用于在不受干擾的環(huán)境下使用變頻器的用戶和自己處理輻射限制的用戶。H級，根據(jù)EN61800-3確定的限制，第一環(huán)境：有限制分布，和第二環(huán)境。作為選件RFI濾波器，配置RFI濾波器可以使變頻器達(dá)到商業(yè)級，通常用于非工業(yè)的環(huán)境。諧波的治理措施

治理諧波問題，抑制輻射干擾和供電系統(tǒng)干擾，可采取屏蔽，隔離，接地及濾波等技術(shù)手段

①使用無源濾波器或有源濾波器;

②增加變壓器的容量，減少回路的阻抗及切斷 傳輸線路法；

③使用無諧波污染的綠色變頻器。

2.1 使用無源濾波器或有源濾波器

使用無源濾波器其主要是改變在特殊頻率下電源的阻抗，適用于穩(wěn)定、不改變的系統(tǒng)。而使用有源濾波器主要是用于補(bǔ)償非線性負(fù)載。

傳統(tǒng)的方式多選用無源濾波器，無源濾波器出現(xiàn)最早，因其結(jié)構(gòu)簡單、投資少、運(yùn)行可靠性較高以及運(yùn)行費(fèi)用較低，至今仍是諧波抑制的主要手段。LC濾波器是傳統(tǒng)的無源諧波抑制裝置，它由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，與諧波源并聯(lián)，除具有濾波作用外，還有無功補(bǔ)償?shù)淖饔?。這種裝置存在一些較難克服的缺點(diǎn)，主要是容易過載，在過載時(shí)會被燒損，可能造成功率因數(shù)過引、償而被罰款；另外，無源濾波器不能受控，因此隨著時(shí)間的推移，配件老化或電網(wǎng)負(fù)載的變動，會使諧振頻率發(fā)生改變，濾波效果下降。更重要的是無源濾波器只能過濾一種諧波成份(如有的濾波器只能濾除三次諧波)，如果過濾不同的諧波頻率，則要分別用不同的濾波器，增加設(shè)備投資。

國內(nèi)外有多種有源濾波器，這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。有源電力濾波器(APF)理論在20世紀(jì)60年代形成，后來著大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟，脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制技術(shù)的進(jìn)步以及基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測方法的提出，有源電力濾波器得以迅速發(fā)展。其基本原理是從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流頻譜，以抵消原線路諧波源所產(chǎn)生的諧波，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。其中核心部分是諧波電流發(fā)生器與控制系統(tǒng)，即其工作靠數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)控制快速絕緣雙極晶體管(1GBT)來完成。

目前，在具體的諧波治理方面，出現(xiàn)了無源濾波器(LC濾波器)與有源濾波器互補(bǔ)混合使用的方式，充分發(fā)揮LC濾波器結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)、成本低，有源電力濾波器補(bǔ)償性能好的優(yōu)點(diǎn)，克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點(diǎn)，兩者結(jié)合使用，從而使整個(gè)系統(tǒng)獲得良好的性能。

2.2 減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法

諧波產(chǎn)生的根本原因是由于使用了非線性負(fù)載，因此，解決的根本辦法是把產(chǎn)生諧波的負(fù)載的供電線路和對諧波敏感的負(fù)載的供電線路分開(如圖2所示)。由于非線性負(fù)載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產(chǎn)生一個(gè)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它負(fù)載，引起諧波電流在其上流過(如圖3所示)。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(shí)現(xiàn)。目前，國內(nèi)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(hù)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(hù)特性與功能，又加大了投資，增加供電系統(tǒng)的隱患。從圖2中可知，可以將線性負(fù)載與非線性負(fù)載從同一電源接口點(diǎn)(PCC)就開始分別的電路供電，這樣可以使由非線性負(fù)載產(chǎn)生的畸變電壓不會傳導(dǎo)到線性負(fù)載上去。這是目前治理諧波問題較為理想的解決方案。

2.3 使用無諧波污染的綠色變頻器 綠色變頻器的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負(fù)載時(shí)都能使功率因數(shù)為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率。變頻器內(nèi)置的交流電抗器，它能很好的抑制諧波，同時(shí)可以保護(hù)整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響，實(shí)踐表明，不帶電抗器的諧波電流明顯高于帶電抗器產(chǎn)生的諧波電流。為了減少諧波污染造成的干擾，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，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。

變頻器中應(yīng)用的低諧波技術(shù)可，歸納如下：

①逆變單元的并聯(lián)多重化，采用2個(gè)或多個(gè)逆變單元并聯(lián)，通過波形疊加抵消諧波分量;②整流電路的多重化，在PWM變頻器中采用121脈沖、18脈沖或者24脈沖的整流，以減少諧波;③逆變單元的串聯(lián)多重化，采用30脈沖的串聯(lián)逆變單元多重化線路，其諧波可減少到很小;④ 采用新的變頻調(diào)制方法，如電壓矢量的菱形調(diào)制等。目前，許多變頻器制造廠商已非常重視諧波問題，在設(shè)計(jì)時(shí)已從技術(shù)手段上保證了變頻器的綠色化,從而在根本上解決諧波問題。結(jié)論

綜上所述，可以清楚地了解諧波產(chǎn)生的原因，在具體治理上可采用無源濾波器、有源濾波器，減少回路阻抗，切斷諧波傳輸路徑及開發(fā)使用無諧波污染的綠色變頻器等方法，將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍內(nèi)，達(dá)到科學(xué)合理用電，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質(zhì)量。

第三篇：PWM變頻器輸出過電壓和諧波對電動機(jī)的影響及抑制措施

PWM變頻器輸出過電壓和諧波對電動機(jī)的影響及抑制措施

隨著電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論在交流變頻器調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用，特別是近年來，IGBT等高開關(guān)速率的電力電子器件及PWM變頻調(diào)速技術(shù)的進(jìn)步，變頻器(或逆變器)越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，并且有取代直流調(diào)速傳動的趨勢。從目前國內(nèi)看，中小容量的變頻器調(diào)速系統(tǒng)使用的比較廣泛，研制和開發(fā)技術(shù)還比較成熟，在使用的變頻器中，低壓變頻器和100kW 以下的變頻器占絕大多數(shù)，其中70％以上應(yīng)用在風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載及壓縮機(jī)上，如供水與供暖系統(tǒng)、輸液系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)。在我國拖動風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載的電動機(jī)中，雖然大功率在數(shù)量上僅占20 ％，但在容量上卻占80％以上。因此，大功率電動機(jī)的變頻調(diào)速是現(xiàn)在節(jié)能措施中極為重要的手段。石化、化工、采礦、鋼鐵、發(fā)電及自來水廠等行業(yè)所擁有的大功率風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載節(jié)能改造對大功率變頻器的需求很大，這對變頻器行業(yè)來說是一急需開發(fā)的市場。但是，目前在我國變頻器的生產(chǎn)廠家中，實(shí)際能生產(chǎn)大功率低壓變頻器的還不多，大多數(shù)廠家實(shí)際上僅能生產(chǎn)75kW甚至是37kW以下的變頻器。研究PWM逆變器供電對異步電動機(jī)的影響，不僅可以對電機(jī)和大功率變頻器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義，而且對電機(jī)絕緣壽命有重要意義。PWM供電對電動機(jī)的影響 PWM變頻調(diào)速對異步電動機(jī)的影響有很多方面，我現(xiàn)在從PWM變頻器對電網(wǎng)和對電動機(jī)這兩端來看，談以下主要兩點(diǎn)： 1.機(jī)端過電壓 PWM變頻器輸出的具有陡上升沿或下降沿的脈沖電壓卻在電動機(jī)接線端子及繞組上產(chǎn)生了過電壓，造成電動機(jī)繞組絕緣的過早破壞，許多變頻電動機(jī)壽命只有1～2年，甚至有些在試運(yùn)行期間電動機(jī)絕緣就發(fā)生擊穿破壞。文獻(xiàn)[1]中試驗(yàn)研究表明，很高的電壓上升率()在電動機(jī)繞組上產(chǎn)生不均勻的電壓分布，隨著變頻器與電動機(jī)之間電纜長度的增加，在電動機(jī)接線端子上將產(chǎn)生近2倍高頻振蕩的過電壓，而且電纜越長，過電壓的峰值越大，長時(shí)間重復(fù)性的過電壓應(yīng)力的作用將致電動機(jī)繞組匝間絕緣的過早破壞。在文獻(xiàn)[1]中，也表明變頻器開關(guān)器件高的開關(guān)頻率會造成上升沿時(shí)間很短，電力晶體管(GTR)和IGBT通常時(shí)間小于0.1μ,GTO常處于2-10μ,這樣使電機(jī)在很短的時(shí)間內(nèi)承受很高的峰值電壓；有些電機(jī)制造商給出了可以接受的上升時(shí)間，一般希望上升時(shí)間大約為5μ，而且過電壓和入射電壓、反射電壓都在tr上升時(shí)間內(nèi)同時(shí)急劇增加，這對電機(jī)來講，長時(shí)間的作用會損壞電機(jī)。在文獻(xiàn)[2]中，PWM驅(qū)動電機(jī)的輸出電壓幅值和頻率通過控制逆變器開關(guān)狀態(tài)來改變的，高的開關(guān)頻率最明顯的優(yōu)點(diǎn)是減少低次諧波，可以減少輸出濾波器的容量，但過快的電壓變化能夠引起嚴(yán)重的絕緣問題，對于每個(gè)脈沖的前沿和后沿在短時(shí)間內(nèi)都有高頻衰減振蕩，而且峰值電壓的85％都降落在第一個(gè)線圈上的第一匝，易引起匝間故障。2．變頻器電源的諧波 變頻器的主電路一般為交-直-交組成，外部輸入380V/50Hz的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓信號，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級數(shù)分解為基波和各次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。在逆變輸出回路中，輸出電壓信號是受PWM載波信號調(diào)制的脈沖波形，對于GTR大功率逆變元件，其PWM的載波頻率為2～3kHz，而IGBT大功率逆變元件的PWM最高載頻可達(dá)15kHz。同樣，輸出回路電流信號也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，而高次諧波電流對負(fù)載直接干擾。諧波電壓和電流對電動機(jī)影響更大，會增加電動機(jī)的鐵耗和銅耗，使電動機(jī)溫度上升，效率下降，并產(chǎn)生噪聲，還會使電動機(jī)轉(zhuǎn)子振動，甚至造成電機(jī)損壞，諧波還對通信以及電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，影響周圍設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí)，諧波引起電纜內(nèi)耗加大，電纜發(fā)熱，縮短電纜的使用壽命；而高次諧波對電容的影響更為突出，含有高次諧波的電壓加至電容兩端時(shí)，由于電容器對高次諧波的阻抗很小，所以電容器很容易發(fā)生過負(fù)荷導(dǎo)致?lián)p壞。高次諧波的干擾，往往還會導(dǎo)致電動機(jī)保護(hù)開關(guān)誤動作，造成電網(wǎng)停電，嚴(yán)重影響用電設(shè)備的正常工作。同時(shí)，高次諧波電流還通過電纜向空間輻射，對通訊設(shè)備也產(chǎn)生干擾信號。文獻(xiàn)[6]中，用傅立葉分析方法把PWM變頻器輸出脈沖進(jìn)行頻譜分析，由于PWM在三相橋式逆變電路情況下，根據(jù)晶體管V1-V6的導(dǎo)通和截止的不同組合，三相輸出端U、V、W相對于直流回路的中點(diǎn)0的電位分別為+E/2或-E/2,而輸出線電壓為+E、-E、0。經(jīng)過分析，得到三相變頻器輸出線電壓的基波和諧波幅值，諧波含量和幅值比較高，對電動機(jī)的影響比較嚴(yán)重。解決方案初探 1抑制諧波常用的方法 逆變器是電力電子裝置中的重要組成部分，是不間斷電源、交流電氣傳動、中頻電源等許多設(shè)備的核心，因而其研究工作倍受人們的關(guān)注，研究的焦點(diǎn)是如何方便地調(diào)節(jié)逆變電源的輸出電壓和頻率，并降低諧波含量，改善輸出波形。迄今為止，降低諧波含量和調(diào)節(jié)輸出電壓（大小或頻率）的常用措施有：（1）對逆變電源的開關(guān)進(jìn)行高頻PWM調(diào)制，使逆變器輸出為高頻等幅的PWM波；（2）通過改變逆變電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在主電路上進(jìn)行波形重構(gòu)以實(shí)現(xiàn)階梯波形輸出，減小低階高次諧波含量； 對于高頻PWM調(diào)制來說，開關(guān)頻率越高，諧波含量越小，但開關(guān)損耗也越大，故不宜用在大功率逆變電源中。而波形重構(gòu)方式往往需要多個(gè)逆變器來實(shí)現(xiàn)電壓的疊加。波形重構(gòu)的級數(shù)越多，出現(xiàn)的最低諧波次數(shù)越高，但主電路和控制電路也越復(fù)雜，相應(yīng)地控制難度也越大，輸出電壓的調(diào)節(jié)也不甚方便，因此這種方式通常只在大功率逆變電源中采用。理論分析表明，早在1973年提出的消諧控制策略能有效地克服上述問題，它只需要較少的開關(guān)脈沖數(shù)即可完全消除容量較大的低階高次諧波，取得很好的濾波效果，具有開關(guān)頻率低、開關(guān)損耗小、電壓利用率高、濾波容量小等許多優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)逆變電源PWM控制的理想方法。然而該方法經(jīng)過近二十年的研究至今仍未實(shí)際應(yīng)用，其主要原因是消諧模型的求解復(fù)雜，難以獲得實(shí)時(shí)控制。文獻(xiàn)[5]中，提出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)輸出電壓調(diào)制比、載波頻率和逆變電路開關(guān)滯時(shí)等參數(shù)，可以減少諧波對電機(jī)的影響。以上的消除諧波多是從變頻器的逆變側(cè)出發(fā)，通過各種有效措施來減少輸出的諧波含量。從諧波對電網(wǎng)的影響來看，治理諧波問題基本思路是：第一，對電力電子裝置本身進(jìn)行有效地控制，改造本身的性能，使其功率因數(shù)可控制為1，不產(chǎn)生諧波；第二，裝諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波源，使其注入電網(wǎng)的諧波幾乎為0.傳統(tǒng)裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置的方法是采用LC調(diào)諧濾波器，它的基本原理是利用LC串聯(lián)諧振，為濾除特定次諧波提供阻抗極低的通路，使其不注入電網(wǎng)，同時(shí)還可以補(bǔ)償無功功率。如圖(1)所示，這種消諧方式結(jié)構(gòu)簡單，不必要控制回路，運(yùn)行費(fèi)用低，造價(jià)相對也較低，一直被廣泛使用。這種方法主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，容易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。但是目前LC濾波器仍是補(bǔ)償諧波的主要手段，而且常用單調(diào)諧和二階高通濾波器組合來濾波，二階高通其結(jié)構(gòu)如圖(1)。由于LC濾波器本身缺點(diǎn)，國內(nèi)外都探索采用其他濾波方式來進(jìn)行電網(wǎng)諧波抑制。有源濾波器(APF)就是一種能夠彌補(bǔ)無源濾波器不足的新型濾波設(shè)備。它的基本原理是向系統(tǒng)電網(wǎng)注入補(bǔ)償諧波電流，以抵消非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流。如圖(2)所示。有源濾波器基本原理可用如下一組公式來描述： , , ,，式中 表示為負(fù)載電流的基波分量； 但是有源濾波器的使用要求有較大的容量來提供足夠的補(bǔ)償電流。因此，文獻(xiàn)[7]又提出了混合型有源濾波器，它的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)合了無源濾波器和有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)，克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點(diǎn)，又可獲得良好的補(bǔ)償性能。無源LC濾波器典型組成可以濾除特征諧波，如5、7、9、11等，這樣，絕大多數(shù)由諧波源產(chǎn)生的諧波已由LC濾波器濾除，有源濾波器只需要補(bǔ)償LC濾波器未能補(bǔ)償?shù)闹C波，因而，有源濾波器只需要提供很小的補(bǔ)償電流，容量不需要很大。2．機(jī)端過電壓的抑制 在電機(jī)端子上安裝阻抗匹配器可以很大程度地消除過電壓，最簡單的是并聯(lián)一個(gè)與電纜的波阻抗接近的電阻，但在電阻上功耗很大。采用阻抗匹配與濾波于一體低通濾波器，它是將電阻和電容串聯(lián)后并聯(lián)在電機(jī)接線端子相相之間，如圖(2)要阻止機(jī)端過電壓，必須正確地選擇濾波器參數(shù)，對于任意容量或電壓等級的變頻調(diào)速系統(tǒng)，濾波器參數(shù)的選取應(yīng)根據(jù)變頻器的上升時(shí)間及幅值、電纜和電動機(jī)的波阻抗及電纜長度來確定。文獻(xiàn)[3]中試驗(yàn)表明，一般來說，驅(qū)動系統(tǒng)的容量越大，變頻器的上升時(shí)間就越長，電纜和電動機(jī)的波阻抗就越小，濾波器的參數(shù)Rf和Cf則相應(yīng)減小。對于濾波電阻Rf的阻值應(yīng)該與電纜的波阻抗Z0相等，而電動機(jī)的沖擊阻抗(或波阻抗)遠(yuǎn)大于Z0,這樣負(fù)載阻抗近似為電阻，電纜末端的負(fù)載阻抗與電纜的波阻抗相匹配，那末在電機(jī)機(jī)端就不會產(chǎn)生電壓波的全反射，也不會形成過電壓。濾波器的Rf和Cf與電動機(jī)端過電壓的關(guān)系：(1)濾波器的電容值Cf越大，Rf越小，過電壓倍率(上升沿處的電壓峰值Vm與穩(wěn)態(tài)值V之比)就越小；(2)過電壓倍率隨電容增加而變化幅度與Rf有關(guān)，Rf越大，過電壓倍率隨電容變化幅度越小，當(dāng)Rf大于一定阻值時(shí)，過電壓倍率隨電容的增加，變化幅度很??； 濾波器的Rf與Cf與電動機(jī)端上升沿時(shí)間的關(guān)系：(1)Rf越小，上升沿時(shí)間tr就越大，且隨Cf的增大而增加，但Cf超過一定值時(shí)，tr趨于飽和，與電容值無關(guān)；(2)電纜長度L越長，上升沿時(shí)間也相應(yīng)增加，這樣電壓變化率就越??； 在文獻(xiàn)[9]中，為了抑制電動機(jī)端電壓反射現(xiàn)象，可采用RC一階無源濾波器來顯著減少電動機(jī)端的過電壓，消除了高頻阻尼震蕩現(xiàn)象，從而避免電動機(jī)絕緣的快速老化甚至損壞。通過分析表明，電壓反射現(xiàn)象與逆變器輸出脈沖的上升時(shí)間以及電纜的長度有關(guān)，PWM上升時(shí)間越短，電纜長度越長，反射越明顯。在文獻(xiàn)[8]中提出使用新的逆變器輸出濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠有效減少高頻諧波引起電動機(jī)軸承和絕緣損害。新的濾波器是由LC濾波器和RLC濾波網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)構(gòu)成，如圖(3)LC濾波器由變頻器開關(guān)頻率來調(diào)諧，能夠十分有效地濾掉開關(guān)頻率出地電壓諧波，在開關(guān)頻率處阻抗為無窮大，濾波器的諧振角頻率為，對于RLC濾波器而言,也要滿足一定的條件。此種新的濾波器結(jié)構(gòu)使輸出波形比較平緩，可以降低輸出脈沖的過電壓和上升沿時(shí)間，相對于傳統(tǒng)的并在電動機(jī)出口的RC濾波而言，如圖(4),它能夠很好的消除過電壓對電機(jī)的影響?？偨Y(jié) 從上述所講，PWM變頻器所產(chǎn)生的諧波和過電壓對電網(wǎng)和對電機(jī)的影響是十分嚴(yán)重的，盡管目前已經(jīng)提出了各種解決方法，但是對于諧波而言，所引起得一些基本概念還沒有統(tǒng)一定義，諧波治理還停留在無源階段，需要大量工作來使有源和混合型濾波器投入實(shí)際運(yùn)行中，對于PWM輸出脈沖所產(chǎn)生過電壓問題，如何有效抑制，基本都用無源RC來抑制，對于參數(shù)的選取比較麻煩，如果尋求一種更高效防止過電壓的電路，能夠?qū)崟r(shí)的檢測PWM上升沿和下降沿，及時(shí)的補(bǔ)償過電壓來提高效率，減少電機(jī)的損壞和使用壽命。

第四篇：變頻器的諧波危害及解決措施

變頻器的諧波危害及解決措施

1、前言

在工業(yè)調(diào)速傳動領(lǐng)域中，與傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)速相比，用變頻器調(diào)速有諸多優(yōu)點(diǎn)，顧其應(yīng)用非常廣泛，但由于變頻器逆變電路的開關(guān)特性，對其供電電源形成了一個(gè)典型的非線性負(fù)載，變頻器在現(xiàn)場通常與其它設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，例如計(jì)算機(jī)和傳感器，這些設(shè)備常常安裝得很近，這樣可能會造成相互影響。因此，以變頻器為代表的電力電子裝置是公用電網(wǎng)中最主要的諧波源之一，其對電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量有著重要的影響。

2、諧波產(chǎn)生的過程

諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波，如下圖所示。

諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國數(shù)學(xué)家傅立葉（M.Fourier）分析原理證明，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個(gè)諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。

3、諧波危害

對于電力系統(tǒng)來說，電力諧波的危害主要表現(xiàn)有以下幾方面：

(1)增加輸、供和用電設(shè)備的額外附加損耗，使設(shè)備的溫度過熱，降低設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)效益：

①電力諧波對輸電線路的影響：

諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時(shí)，對輸電線路和電力電纜線路會造成絕緣擊穿。

②電力諧波對變壓器的影響：

諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場強(qiáng)度，諧波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱性負(fù)荷的變壓器而言，會大大增加勵(lì)磁電流的諧波分量。

③電力諧波對電力電容器的影響：

含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時(shí)，由于電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過負(fù)荷甚至爆炸，同時(shí)諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波諧振，使故障加劇。

(2)影響繼電保護(hù)和自動裝置的工作可靠性：

特別對于電磁式繼電器來說，電力諧波常會引起繼電保護(hù)及自動裝置誤動或拒動，使其動作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

(3)對通訊系統(tǒng)工作產(chǎn)生干擾：

電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時(shí)，會在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在極端的情況下，還會威脅著通信設(shè)備和人員的安全。

(4)對用電設(shè)備的影響：

電力諧波會使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，并使機(jī)內(nèi)的元件溫度出現(xiàn)過熱，使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，嚴(yán)重甚至損害機(jī)器。

此外，電力諧波還會對測量和計(jì)量儀器的指示不準(zhǔn)確及整流裝置等產(chǎn)生不良影響，它已經(jīng)成為當(dāng)前電力系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的大公害。

4、諧波的治理措施

治理諧波問題，抑制輻射干擾和供電系統(tǒng)干擾，可采取屏蔽、隔離、接地及濾波等技術(shù)手段。

①使用無源濾波器或有源濾波器；

使用無源濾波器其主要是改變在特殊頻率下電源的阻抗，適用于穩(wěn)定、不改變的系統(tǒng)。而使用有源濾波器主要是用于補(bǔ)償非線性負(fù)載。LC濾波器是傳統(tǒng)的無源諧波抑制裝置，它由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，與諧波源并聯(lián)，除具有濾波作用外，還有無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

②增加變壓器的容量，減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法；

由于非線性負(fù)載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產(chǎn)生一個(gè)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它負(fù)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(shí)現(xiàn)。目前，國內(nèi)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(hù)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(hù)特性與功能，又加大了投資，增加供電系統(tǒng)的隱患。

③使用無諧波污染的綠色變頻器。

綠色變頻器的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負(fù)載時(shí)都能使功率因數(shù)為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率。變頻器內(nèi)置的交流電抗器，它能很好的抑制諧波，同時(shí)可以保護(hù)整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響，實(shí)踐表明，不帶電抗器的諧波電流明顯高于帶電抗器產(chǎn)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。

變頻器中應(yīng)用的低諧波技術(shù)可歸納如下：

㈠逆變單元的并聯(lián)多重化，采用2個(gè)或多個(gè)逆變單元并聯(lián)，通過波形疊加抵消諧波分量。

㈡整流電路的多重化，在PWM變頻器中采用12脈沖、18脈沖或者24脈沖的整流，以減少諧波。

㈢ 逆變單元的串聯(lián)多重化，采用30脈沖的串聯(lián)逆變單元多重化線路，其諧波可減少到很小。

㈣ 采用新的變頻調(diào)制方法，如電壓矢量的菱形調(diào)制等。目前，許，多變頻器制造廠商已非常重視諧波問題，在設(shè)計(jì)時(shí)已從技術(shù)手段上保證了變頻器的綠色化，從而在根本上解決諧波問題。結(jié)論

綜上所述，可以清楚地了解諧波產(chǎn)生的原因，在具體治理上可采用無源濾波器、有源濾波器，減少回路阻抗，切斷諧波傳輸路徑及開發(fā)使用無諧波污染的綠色變頻器等方法，將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍內(nèi)，達(dá)到科學(xué)合理用電，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質(zhì)量

第五篇：變頻器諧波危害分析及解決措施

變頻器諧波危害分析及解決措施

摘要： 本文從諧波的概念入手，結(jié)合變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識,分析變頻器諧波產(chǎn)生的原因及其危害,在此基礎(chǔ)上提出了抑制諧波的常用方法.關(guān)鍵詞：變頻器 諧波 危害 抑制

前言：在工業(yè)調(diào)速傳動領(lǐng)域中，與傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)速相比，用變頻器調(diào)速有諸多優(yōu)點(diǎn)，顧其應(yīng)用非常廣泛，但由于變頻器逆變電路的開關(guān)特性，對其供電電源形成了一個(gè)典型的非線性負(fù)載，變頻器在現(xiàn)場通常與其它設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，例如計(jì)算機(jī)和傳感器，這些設(shè)備常常安裝得很近，這樣可能會造成相互影響。因此，以變頻器為代表的電力電子裝置是公用電網(wǎng)中最主要的諧波源之一，其對電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量有著重要的影響。

一、變頻器原理及其諧波的產(chǎn)生

變頻器是工業(yè)調(diào)速領(lǐng)域中應(yīng)用較廣泛的設(shè)備之一，目前已在企業(yè)大量使用。變頻器一般采用是交-直-交結(jié)構(gòu)（如圖一所示），它是把工頻（50HZ）變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。其中控制電路完成對主電路的控制，變頻調(diào)速裝置用于交流異步電動機(jī)的調(diào)速，調(diào)速范圍廣、節(jié)能顯著、穩(wěn)定可靠。

（圖一）一般通用變頻器為交－直－交結(jié)構(gòu)

眾所周知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源的頻率是線性關(guān)系。

變頻器就是利用這一原理將50Hz的工頻電通過整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)方向的交流電源。變頻器輸入部分為整流電路，輸出部分為逆變電路，這些都是由非線性原件組成的，在開斷過程中，其輸入端和輸出端都會產(chǎn)生高次諧波。另外變頻器輸入端的諧波還會通過輸入電源線對公用電網(wǎng)產(chǎn)生影響。

從結(jié)構(gòu)上來看，變頻器有交-直-交變頻器和交-交變頻器之分。目前應(yīng)用較多的還是交-直-交變頻器。變頻器主電路為交-直-交，外部輸入380V/50HZ工頻電源，經(jīng)三相橋式不可控整流成直流電壓，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流信號。

在電力電子裝置大量應(yīng)用以后，電力電子裝置成為最主要的諧波源。

變頻器輸入側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理：對于變頻器而言，只要是電源側(cè)有整流回路的，都將產(chǎn)生因非線性引起的諧波。以三相橋整流電路為例，交流電網(wǎng)電壓為一正弦波，交流輸入電流波形為方波，對于這個(gè)波形，按傅氏級數(shù)可分解為基波和各次諧波，通常含有6m±1(m=1,2,…)次諧波，其中高次諧波干擾電網(wǎng)。單個(gè)基波與幾個(gè)高次諧波組合一起被稱為畸波（如圖二）。

（圖二）基波與高次諧波 畸波

（圖三）PWM控制的基本原理示意圖

在采樣控制中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。此結(jié)論是PWM控制的重要理論基礎(chǔ)。把

圖三a的正弦半波分成N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈寬相等，都等于，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（沖量）相等，就得到了圖三b所示脈沖序列，這就是PWM波形。對于正弦波負(fù)半周用同樣辦法也可以得到PWM波形。像這種把正弦波等效的PWM波形也稱為SPWM波形。

變頻器輸出側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理：在逆變輸出回路中，輸出電壓和輸出電流均有諧波。由于變頻器是通過CPU產(chǎn)生6組脈寬可調(diào)的SPWM波控制三相的6組功率元件導(dǎo)通/關(guān)斷，從而形成電壓、頻率可調(diào)的三相輸出電壓。其輸出電壓和輸出電流是由SPWM波和三角載波的交點(diǎn)產(chǎn)生的，不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，如電壓型變頻器，其輸出電壓波形為方形波，用傅氏級數(shù)分解電壓方波和電流正弦鋸齒波可分析出包含較強(qiáng)的高次諧波成分，高次諧波對設(shè)備產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾，甚至造成設(shè)備不能使用，周圍儀器信號失真。諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。

二、諧波的危害

一般來講，變頻器對容量相對較大的電力系統(tǒng)影響不很明顯，而對容量小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視，諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對公用電網(wǎng)是一種污染，它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，給周圍的通信系統(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來危害。諧波污染對電力系統(tǒng)的危害嚴(yán)重性主要表現(xiàn)在：

（1）諧波對供電線路產(chǎn)生了附加諧波損耗。由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的浪費(fèi)；由于中性線正常時(shí)流過電流很小，故其導(dǎo)線較細(xì)，當(dāng)大量的三次諧波電流流過中性線時(shí)，會使導(dǎo)線過熱、絕緣老化、壽命縮短、損壞甚至發(fā)生火災(zāi)。

（2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。對發(fā)電機(jī)的影響除產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機(jī)械振動和噪聲和過電壓；對斷路器，當(dāng)電流波形過零點(diǎn)時(shí)，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(shí)間。

（3）諧波使電網(wǎng)中的電容器產(chǎn)生諧振。工頻下，系統(tǒng)裝設(shè)的各種用途的電容器其電路比系統(tǒng)中的感抗要大得多，不會產(chǎn)生諧振，但諧波頻率時(shí)，感抗值成倍增加而容抗值成倍減少，這就有可能出現(xiàn)諧振，諧振將放大諧波電流，導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀。

（4）諧波引起公用電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)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(yán)重事故。

（5）諧波將使繼電保護(hù)和自動裝置出現(xiàn)誤動作，并使儀表和電能計(jì)量出現(xiàn)較大誤差；諧波對其他系統(tǒng)及電力用戶危害也很大：如對附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者出現(xiàn)噪聲，降低通信質(zhì)量，重者丟失信息，使通信系統(tǒng)無法正常工作；影響電子設(shè)備工作精度，使精密機(jī)械加工的產(chǎn)品質(zhì)量降低；設(shè)備壽命縮短，家用電器工況變壞等。

三、諧波的抑制

變頻器給人們帶來極大的方便、高效率和巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對電網(wǎng)注入了大量的諧波和無用功，使供電質(zhì)量不斷惡化。另一方面，隨著以計(jì)算機(jī)為代表的大量敏感設(shè)備的普及應(yīng)用，人們對公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求越來越高，許多國家和地區(qū)已經(jīng)制定了各自的諧波標(biāo)準(zhǔn)，以限制供電系統(tǒng)及用電設(shè)備的諧波污染。

抑制諧波的總體思路有三個(gè)：其一是裝置諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波；其二是對電力系統(tǒng)裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控為1；其三是在電網(wǎng)系統(tǒng)中采用適當(dāng)?shù)拇胧﹣硪种浦C波。具體方法有以下幾種：

1.選用適當(dāng)?shù)碾娍蛊鳌?/p>

（1）輸入電抗器。在電源與變頻器輸入側(cè)之間串聯(lián)交流電抗器（圖四），這樣可使整流阻抗增大來有效抑制高次諧波電流，減少電源浪涌對變頻器的沖擊，改善三相電源的不平衡性，提高輸入電源的功率因數(shù)（提高到0.75-0.85），這樣進(jìn)線電流的波形畸變大約降低30%~50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。

（圖四）串聯(lián)交流電抗器

建議在下列情況下使用輸入交流電抗器：

a)變頻器所用之處的電源容量與變頻器容量之比為10：1以上；

b)同一電源上接有晶閘管設(shè)備或帶有開關(guān)控制的功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；

c)三相電源的電壓不平衡度較大（≥3％）；

由于交流電抗器體積較大，成本較高，變頻器功率＞30kW時(shí)才考慮配置交流電抗器。

（２）在直流環(huán)節(jié)串聯(lián)直流電抗器。直流電抗器串聯(lián)在直流中間環(huán)節(jié)母線中（端子+，-之間）。主要是減小輸入電流的高次諧波成分，提高輸入電源的功率因數(shù)（提高到0.95）。此電抗器可與交流電抗器同時(shí)使用，變頻器功率＞30kW時(shí)才考慮配置。

（３）輸出電抗器（電機(jī)電抗器）。由于電機(jī)與變頻器之間的電纜存在分布電容，尤其是在電纜距離較長，且電纜較粗時(shí)，變頻器經(jīng)逆變輸出后調(diào)制方波會在電路上產(chǎn)生一定的過電壓，使電機(jī)無法正常工作，可以通過在變頻器和電機(jī)間連接輸出電抗器來進(jìn)行限制（圖五）。

圖五 串聯(lián)輸出電抗器

2.選用適當(dāng)濾波器。

在變頻器輸入、輸出電路中，有許多高頻諧波電流，濾波器用于抑制變頻器產(chǎn)生的電磁干擾噪聲的傳導(dǎo)，也可抑制外界無線電干擾以及瞬時(shí)沖擊、浪涌對變頻器的干擾。根據(jù)使用位置的不同可以分為輸入濾波器和輸出濾波器。輸入濾波器有2種，線路濾波器和輻射濾波器：

（1）線路濾波器串聯(lián)在變頻器輸入側(cè)，由電感線圈組成，通過增大電路的阻抗減小頻率較高的諧波電流；在需要使用外控端子控制變頻器時(shí)，如果控制回路電纜較長，外部環(huán)境的干擾有可能從控制回路電纜侵入，造成變頻器誤動作，此時(shí)將線路濾波器串聯(lián)在控制回路電纜上，可以消除干擾。

（2）輻射濾波器并聯(lián)在電源與變頻器輸入側(cè)，由高頻電容器組成，可以吸收頻率較高具有輻射能量的諧波成分，用于降低無線電噪聲。線路濾波器和輻射濾波器同時(shí)使用效果更好。

輸出濾波器串聯(lián)在變頻器輸出側(cè)，由電感線圈組成，可以減小輸出電流中的高次諧波成分，抑制變頻器輸出側(cè)的浪涌電壓，同時(shí)可以減小電動機(jī)由高頻諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩。注意輸出濾波器到變頻器和電機(jī)的接線盡量縮短，濾波器亦應(yīng)盡量靠近變頻器。輸出濾波器從結(jié)構(gòu)上分LR濾波器單元和LC濾波器單元兩種類型（圖六）。

（圖六）LR濾波器單元

LC 濾波器單元

除傳統(tǒng)的LR,LC濾波器還在應(yīng)用以外，當(dāng)前抑制諧波的重要趨勢是采用有源電力濾波器，它串聯(lián)或并聯(lián)于主電路中，實(shí)時(shí)對電流中高次諧波進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果輸入與高次諧波成分具有相反相位電流，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流目的，從而使電網(wǎng)電流只含基波電流。它與無源濾波器相比，具有高度可控性和快速響應(yīng)性，且可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振危險(xiǎn)，但存在容量大，價(jià)格高的特點(diǎn)。

對于工作性質(zhì)是節(jié)能性的（同時(shí)有調(diào)節(jié)作用）大容量的電動機(jī)，為了改善電機(jī)的運(yùn)行工況，降低發(fā)熱量，應(yīng)考慮單獨(dú)串聯(lián)加裝電抗器。

對于工作電流較大（基本運(yùn)行在額定容量下）的電動機(jī)，為了減少電機(jī)的發(fā)熱量、降低運(yùn)行電流，使電氣元件的運(yùn)行可靠度提高（空開、斷路器），應(yīng)單獨(dú)串聯(lián)加裝電抗器和濾波器。

對于小容量、多臺安裝的變頻裝置，單獨(dú)增加濾波設(shè)備顯然投入太大，且現(xiàn)有空間有限，則應(yīng)考慮在低壓母線上直接安裝有源濾波器。

3.采用多相脈沖整流。

在條件允許或是要求諧波限制在比較小的情況下，可采用多相整流的方法。12相脈沖整流的畸變大約為10%～15%，18相的為3%～8%，完全滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。其缺點(diǎn)是需要專用變壓器，不利于設(shè)備的改造，成本費(fèi)用較高；

4．減少或削弱變頻器諧波的方法還有：

（1）當(dāng)電機(jī)電纜長度大于50米或80米（非屏蔽）時(shí)，為了防止電機(jī)啟動時(shí)的瞬時(shí)過0電壓，在變頻器與電動機(jī)之間安裝交流電抗器；

（2）當(dāng)設(shè)備附近環(huán)境有電磁干擾時(shí)，加裝抗射頻干擾濾波器

（3）使用具有隔離的變壓器，可以將電源側(cè)絕大部分的傳導(dǎo)干擾隔離在變壓器之前；

（4）合理布線，屏蔽輻射，在電動機(jī)與變頻器之間的電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜，并和其他弱電信號線分走不同的電纜溝敷設(shè)，降低線路干擾，變頻器使用專用接地線；

（5）選用具有開關(guān)電源的儀表等低壓電器；

（6）在使用單片機(jī)、PLC等為核心的控制系統(tǒng)中，在編制軟件的時(shí)候適當(dāng)增加對檢測信號和輸出控制部分的信號濾波，以增加系統(tǒng)自身的抗干擾能力。

四． 結(jié)論

變頻調(diào)速的應(yīng)用使交流傳動上了一個(gè)新臺階，但變頻器諧波干擾的嚴(yán)重性也給設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行帶來潛在威脅，如何才能最大限度的抑制變頻器諧波產(chǎn)生仍是擺在現(xiàn)今電氣技術(shù)工作者面前有待解決的最大課題。本文從諧波的概念入手，分析變頻器諧波產(chǎn)生的原因及其危害,在此基礎(chǔ)上提出了抑制諧波的常用方法，將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍內(nèi)，達(dá)到科學(xué)合理用電，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質(zhì)量。