第一篇：變頻器應用 諧波產生對電力系統影響及相應措施

變頻器廣泛應用對電力系統的影響 引言

變頻器主要用于交流電動機轉速的調節，是理想的調速方案，隨著中國經濟的整體快速發展，市場對產品的要求逐步提高，變頻調速以其自身所具有的調速范圍廣、調速精度高、動態響應好等優點，在許多需要精確速度控制的應用中發揮著提高產品質量和生產效率的作用。其除了具有優良的調速性能之外，還有顯著的節能效果，不僅在相關工業行業，變頻家電在節約電費、提高家電性能、保護環境等方面的優勢也得到了用戶的普遍認可和廣泛應用[1][2]。

然而變頻器在節能、改善人類生活環境、提高產品質量以及提高工業自動化程度方面做出巨大貢獻的同時也將產生一些負面效應。變頻器產生諧波

變頻器根據有無中間直流環節來分，可以分為交交變頻器和交直交變頻器，在交直交變頻器中，按中間直流濾波環節的不同，可分為電壓源型和電流源型。交交變頻器結構簡圖如圖1所示，其只能降低頻率，同時輸出電壓波形中含有較大的諧波，輸入電流諧波嚴重且功率因數低，在很多應用領域，這些都是不能接受的技術缺陷，往往采用具有中間直流環節的交直交變頻器。

交直交變頻器結構簡圖如圖2所示，由于交直交變頻器中含有整流電路，可控硅元件的導通與關斷同樣會因其非線性產生諧波，從設備流出的諧波因變流器回路的種類及其運轉狀態、系統條件等不同產生不同的影響[3]。

2.1 諧波的產生

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，這是由整流環節及其開關元件的參數離散所引起的[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，經傅立葉級數分解為基波和6n+1次特征諧波（n=l，2，3，），但實際上由于存在換相重疊角、觸發脈沖不平衡等不定因素，使得少量的非特征諧波同時存在。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]。具體輸入側電流各次諧波的實測值見圖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

變頻器逆變環節往往采用正弦脈寬調制法（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脈寬調制的性質所定的；電流波形和載波頻率比有關，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的高次諧波，高次諧波電流對負載直接干擾，還會通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設備。

隨著變頻器在各行各業的應用面擴大，單機容量的加大和使用變頻器的總容量的增大，因此諧波污染電源及對周圍其他設備的影響就日益嚴重，甚至造成其他電子設備不能正常工作。特別是供電線路上通常連接電力電容器，很容易產生并聯諧振，使整流器和其它電器設備因過電流絕緣損壞或燒壞。這樣的事故近幾年的發生率呈上升趨勢。

2.2 變頻器周圍電氣設備受諧波的影響

連接變頻器的電源系統往往有并聯有電力電容器、發電機、變壓器、電動機等負載，變頻器產生的高次諧波電流按著各自的阻抗分配到電源系統和并聯負載．下面敘述高次諧波電流對各電器設備的影響。

（1）電力電容器

根據IEC標準規定一般電容器最大電流只允許35％的超載。實際運轉時由于諧波的影響常發生嚴重過載。電容器阻抗隨頻率的增加而減少，故產生諧波時，電容器即成為一陷流點流人大量電流，導致過熱、增加介電質的應力，甚至損壞電力電容器。當電容器與線路阻抗達到共振條件時，會發生振動短路、過電流及產生噪聲[8]。

（2）同步發電機

變頻器產生的高次諧波電流在同步發電機的激磁繞組中會產生感應電流，引起損耗增加，可能導致電機過熱、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生噪聲。（4）電動機

諧波會引起電動機附加發熱，導致電動機額外溫升，電動機往往要降額使用。如果輸入電動機的波形失真，會增加其重復峰值電壓，影響電動機的絕緣 [2]。

（5）電力電子設備

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

由于高次諧波的影響，可能引起繼電器過電壓、產生絕緣損壞、振動引起的機械破壞等等。對于以有效值為基準而動作的繼電器，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

電能表等計量儀表會因諧波而造成感應轉盤產生額外的電磁轉矩，引起誤差，降低精確度。20％的5次諧波將產生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，但當使用的變頻器容量大或數量多時，往往就會產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的對策和預防措施是非常重要的。

2.3.1 改善變頻器結構

可以從變頻器自身硬件結構或者整個變頻系統的構建方式和設備選擇等方面考慮，從根本上減少變頻系統注入電網的諧波、無功等污染。（1）變頻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[9]；

（2）在整流環節采用多重化技術，提高脈波數，可以有效地提高特征諧波次數，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的高次諧波[11]；

5678另外，還可以綜合整流、逆變環節考慮，合理確定整流和逆變電路的開關觸發角，使整流電路輸入電流的三相波形盡量對稱，這個方面還有待進一步的研究。不合格電能對變頻器本身的影響

變頻器產生諧波以及造成功率因數不平衡破壞電網的電能質量，大量變頻器的廣泛應用對電網造成的污染越來越嚴重，首當其沖的是影響到其自身的正常運行。變頻器產生的諧波電流在系統阻抗上產生壓降，使得其輸入電壓波形發生畸變，長時間運行在這樣的環境下，開關損耗大大增加，開關元件壽命大大縮短，變頻器很容易損壞；變頻器在輸入波形失真的情況下長時間運行，會導致整流環節控制失靈[6]，引起開關元件誤動作，甚至在開關過程產生過電壓燒壞元器件；如果不及時采取相應措施改善輸入波形，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電氣設備燒損。這樣的實例也越來越多，在近幾年的工作中已經多次目睹類似事故。結束語

大量變頻器的廣泛應用對電網造成的污染越來越嚴重，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，放任問題的嚴重化和擴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機。本文從硬件結構、控制策略以及外接濾波電路等三個方面提出了一系列抑制變頻器諧波污染的方法和措施，變頻器不同環節產生的諧波有針對的抑制措施，對于變頻系統一個整體而言，綜合應用各種措施對于改善變頻系統的輸入輸出波形指標會更有效；另外本文對變頻器低載時產生的輸入電流不對稱引起功率因數不平衡現象作了分析，并提出了相應的改善建議。

第二篇：變頻器產生的諧波危害及解決方法

變頻器產生的諧波危害及解決措施

變頻器是工業調速傳動領域中應用較為廣泛的設備，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。變頻器在現場通常與其它設備同時運行，例如計算機和傳感器，這些設備常常安裝得很近，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中最主要的諧波源之一，電力電子裝置所產生的諧波污染已成為阻礙電力電子技術自身發展的重大障礙。相關的定義

1.1 什么是諧波

諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據法國數學家傅立葉(M．Fourier)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I區分為偶次與奇次性，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，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。對于三相整流負載，出現的諧波電流是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 諧波治理的有關標準

變頻器諧波治理應注意下面幾個標準: 抗干擾標準：EN50082-

1、-2，EN61800-3；

輻射標準：EN5008l-

1、-2，EN61800-3。

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

普通的抗干擾標準EN50081和EN50082以及針對變頻器的標準EN61800(1ECl800-3)定義了設備在不同的環境中運行時的輻射及抗干擾的水平。上述標準定義了在不同環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EN61800-3確定的限制，第一環境：有限制分布，和第二環境。作為選件RFI濾波器，配置RFI濾波器可以使變頻器達到商業級，通常用于非工業的環境。諧波的治理措施

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

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，適用于穩定、不改變的系統。而使用有源濾波器主要是用于補償非線性負載。

傳統的方式多選用無源濾波器，無源濾波器出現最早，因其結構簡單、投資少、運行可靠性較高以及運行費用較低，至今仍是諧波抑制的主要手段。LC濾波器是傳統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組合而成，與諧波源并聯，除具有濾波作用外，還有無功補償的作用。這種裝置存在一些較難克服的缺點，主要是容易過載，在過載時會被燒損，可能造成功率因數過引、償而被罰款；另外，無源濾波器不能受控，因此隨著時間的推移，配件老化或電網負載的變動，會使諧振頻率發生改變，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，增加設備投資。

國內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行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響。有源電力濾波器(APF)理論在20世紀60年代形成，后來著大中功率全控型半導體器件的成熟，脈沖寬度調制(PWM)控制技術的進步以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，有源電力濾波器得以迅速發展。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流頻譜，以抵消原線路諧波源所產生的諧波，從而使電網電流只含有基波分量。其中核心部分是諧波電流發生器與控制系統，即其工作靠數字信號處理(DSP)技術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，出現了無源濾波器(LC濾波器)與有源濾波器互補混合使用的方式，充分發揮LC濾波器結構簡單、易實現、成本低，有源電力濾波器補償性能好的優點，克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點，兩者結合使用，從而使整個系統獲得良好的性能。

2.2 減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法

諧波產生的根本原因是由于使用了非線性負載，因此，解決的根本辦法是把產生諧波的負載的供電線路和對諧波敏感的負載的供電線路分開(如圖2所示)。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它負載，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。從圖2中可知，可以將線性負載與非線性負載從同一電源接口點(PCC)就開始分別的電路供電，這樣可以使由非線性負載產生的畸變電壓不會傳導到線性負載上去。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，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。

變頻器中應用的低諧波技術可，歸納如下：

①逆變單元的并聯多重化，采用2個或多個逆變單元并聯，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逆變單元的串聯多重化，采用30脈沖的串聯逆變單元多重化線路，其諧波可減少到很小;④ 采用新的變頻調制方法，如電壓矢量的菱形調制等。目前，許多變頻器制造廠商已非常重視諧波問題，在設計時已從技術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。結論

綜上所述，可以清楚地了解諧波產生的原因，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使用無諧波污染的綠色變頻器等方法，將變頻器產生的諧波控制在最小范圍內，達到科學合理用電，抑制電網污染，提高電源質量。

第三篇：PWM變頻器輸出過電壓和諧波對電動機的影響及抑制措施

PWM變頻器輸出過電壓和諧波對電動機的影響及抑制措施

隨著電力電子技術和現代控制理論在交流變頻器調速驅動系統的應用，特別是近年來，IGBT等高開關速率的電力電子器件及PWM變頻調速技術的進步，變頻器(或逆變器)越來越廣泛地應用于工業生產和日常生活中，并且有取代直流調速傳動的趨勢。從目前國內看，中小容量的變頻器調速系統使用的比較廣泛，研制和開發技術還比較成熟，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，其中70％以上應用在風機泵類負載及壓縮機上，如供水與供暖系統、輸液系統和通風系統。在我國拖動風機泵類負載的電動機中，雖然大功率在數量上僅占20 ％，但在容量上卻占80％以上。因此，大功率電動機的變頻調速是現在節能措施中極為重要的手段。石化、化工、采礦、鋼鐵、發電及自來水廠等行業所擁有的大功率風機泵類負載節能改造對大功率變頻器的需求很大，這對變頻器行業來說是一急需開發的市場。但是，目前在我國變頻器的生產廠家中，實際能生產大功率低壓變頻器的還不多，大多數廠家實際上僅能生產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的影響，不僅可以對電機和大功率變頻器的設計和應用具有現實意義，而且對電機絕緣壽命有重要意義。PWM供電對電動機的影響 PWM變頻調速對異步電動機的影響有很多方面，我現在從PWM變頻器對電網和對電動機這兩端來看，談以下主要兩點： 1.機端過電壓 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接線端子及繞組上產生了過電壓，造成電動機繞組絕緣的過早破壞，許多變頻電動機壽命只有1～2年，甚至有些在試運行期間電動機絕緣就發生擊穿破壞。文獻[1]中試驗研究表明，很高的電壓上升率()在電動機繞組上產生不均勻的電壓分布，隨著變頻器與電動機之間電纜長度的增加，在電動機接線端子上將產生近2倍高頻振蕩的過電壓，而且電纜越長，過電壓的峰值越大，長時間重復性的過電壓應力的作用將致電動機繞組匝間絕緣的過早破壞。在文獻[1]中，也表明變頻器開關器件高的開關頻率會造成上升沿時間很短，電力晶體管(GTR)和IGBT通常時間小于0.1μ,GTO常處于2-10μ,這樣使電機在很短的時間內承受很高的峰值電壓；有些電機制造商給出了可以接受的上升時間，一般希望上升時間大約為5μ，而且過電壓和入射電壓、反射電壓都在tr上升時間內同時急劇增加，這對電機來講，長時間的作用會損壞電機。在文獻[2]中，PWM驅動電機的輸出電壓幅值和頻率通過控制逆變器開關狀態來改變的，高的開關頻率最明顯的優點是減少低次諧波，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重的絕緣問題，對于每個脈沖的前沿和后沿在短時間內都有高頻衰減振蕩，而且峰值電壓的85％都降落在第一個線圈上的第一匝，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的工頻電源經三相橋路不可控整流成直流電壓信號，經濾波電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可變的交流信號。在整流回路中，輸入電流的波形為不規則的矩形波，波形按傅立葉級數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。在逆變輸出回路中，輸出電壓信號是受PWM載波信號調制的脈沖波形，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載直接干擾。諧波電壓和電流對電動機影響更大，會增加電動機的鐵耗和銅耗，使電動機溫度上升，效率下降，并產生噪聲，還會使電動機轉子振動，甚至造成電機損壞，諧波還對通信以及電子設備產生嚴重干擾，影響周圍設備的正常運行。同時，諧波引起電纜內耗加大，電纜發熱，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，由于電容器對高次諧波的阻抗很小，所以電容器很容易發生過負荷導致損壞。高次諧波的干擾，往往還會導致電動機保護開關誤動作，造成電網停電，嚴重影響用電設備的正常工作。同時，高次諧波電流還通過電纜向空間輻射，對通訊設備也產生干擾信號。文獻[6]中，用傅立葉分析方法把PWM變頻器輸出脈沖進行頻譜分析，由于PWM在三相橋式逆變電路情況下，根據晶體管V1-V6的導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0的電位分別為+E/2或-E/2,而輸出線電壓為+E、-E、0。經過分析，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，對電動機的影響比較嚴重。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、中頻電源等許多設備的核心，因而其研究工作倍受人們的關注，研究的焦點是如何方便地調節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，降低諧波含量和調節輸出電壓（大小或頻率）的常用措施有：（1）對逆變電源的開關進行高頻PWM調制，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撲結構，在主電路上進行波形重構以實現階梯波形輸出，減小低階高次諧波含量； 對于高頻PWM調制來說，開關頻率越高，諧波含量越小，但開關損耗也越大，故不宜用在大功率逆變電源中。而波形重構方式往往需要多個逆變器來實現電壓的疊加。波形重構的級數越多，出現的最低諧波次數越高，但主電路和控制電路也越復雜，相應地控制難度也越大，輸出電壓的調節也不甚方便，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脈沖數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，具有開關頻率低、開關損耗小、電壓利用率高、濾波容量小等許多優點，是實現逆變電源PWM控制的理想方法。然而該方法經過近二十年的研究至今仍未實際應用，其主要原因是消諧模型的求解復雜，難以獲得實時控制。文獻[5]中，提出適當的調節輸出電壓調制比、載波頻率和逆變電路開關滯時等參數，可以減少諧波對電機的影響。以上的消除諧波多是從變頻器的逆變側出發，通過各種有效措施來減少輸出的諧波含量。從諧波對電網的影響來看，治理諧波問題基本思路是：第一，對電力電子裝置本身進行有效地控制，改造本身的性能，使其功率因數可控制為1，不產生諧波；第二，裝諧波補償裝置來補償諧波源，使其注入電網的諧波幾乎為0.傳統裝設諧波補償裝置的方法是采用LC調諧濾波器，它的基本原理是利用LC串聯諧振，為濾除特定次諧波提供阻抗極低的通路，使其不注入電網，同時還可以補償無功功率。如圖(1)所示，這種消諧方式結構簡單，不必要控制回路，運行費用低，造價相對也較低，一直被廣泛使用。這種方法主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，容易和系統發生并聯諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。但是目前LC濾波器仍是補償諧波的主要手段，而且常用單調諧和二階高通濾波器組合來濾波，二階高通其結構如圖(1)。由于LC濾波器本身缺點，國內外都探索采用其他濾波方式來進行電網諧波抑制。有源濾波器(APF)就是一種能夠彌補無源濾波器不足的新型濾波設備。它的基本原理是向系統電網注入補償諧波電流，以抵消非線性負載所產生的諧波電流。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償電流。因此，文獻[7]又提出了混合型有源濾波器，它的優點在于結合了無源濾波器和有源濾波器的優點，克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點，又可獲得良好的補償性能。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，絕大多數由諧波源產生的諧波已由LC濾波器濾除，有源濾波器只需要補償LC濾波器未能補償的諧波，因而，有源濾波器只需要提供很小的補償電流，容量不需要很大。2．機端過電壓的抑制 在電機端子上安裝阻抗匹配器可以很大程度地消除過電壓，最簡單的是并聯一個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后并聯在電機接線端子相相之間，如圖(2)要阻止機端過電壓，必須正確地選擇濾波器參數，對于任意容量或電壓等級的變頻調速系統，濾波器參數的選取應根據變頻器的上升時間及幅值、電纜和電動機的波阻抗及電纜長度來確定。文獻[3]中試驗表明，一般來說，驅動系統的容量越大，變頻器的上升時間就越長，電纜和電動機的波阻抗就越小，濾波器的參數Rf和Cf則相應減小。對于濾波電阻Rf的阻值應該與電纜的波阻抗Z0相等，而電動機的沖擊阻抗(或波阻抗)遠大于Z0,這樣負載阻抗近似為電阻，電纜末端的負載阻抗與電纜的波阻抗相匹配，那末在電機機端就不會產生電壓波的全反射，也不會形成過電壓。濾波器的Rf和Cf與電動機端過電壓的關系：(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與穩態值V之比)就越?。?2)過電壓倍率隨電容增加而變化幅度與Rf有關，Rf越大，過電壓倍率隨電容變化幅度越小，當Rf大于一定阻值時，過電壓倍率隨電容的增加，變化幅度很?。?濾波器的Rf與Cf與電動機端上升沿時間的關系：(1)Rf越小，上升沿時間tr就越大，且隨Cf的增大而增加，但Cf超過一定值時，tr趨于飽和，與電容值無關；(2)電纜長度L越長，上升沿時間也相應增加，這樣電壓變化率就越??； 在文獻[9]中，為了抑制電動機端電壓反射現象，可采用RC一階無源濾波器來顯著減少電動機端的過電壓，消除了高頻阻尼震蕩現象，從而避免電動機絕緣的快速老化甚至損壞。通過分析表明，電壓反射現象與逆變器輸出脈沖的上升時間以及電纜的長度有關，PWM上升時間越短，電纜長度越長，反射越明顯。在文獻[8]中提出使用新的逆變器輸出濾波器的拓撲結構，能夠有效減少高頻諧波引起電動機軸承和絕緣損害。新的濾波器是由LC濾波器和RLC濾波網絡串聯構成，如圖(3)LC濾波器由變頻器開關頻率來調諧，能夠十分有效地濾掉開關頻率出地電壓諧波，在開關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。此種新的濾波器結構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間，相對于傳統的并在電動機出口的RC濾波而言，如圖(4),它能夠很好的消除過電壓對電機的影響?？偨Y 從上述所講，PWM變頻器所產生的諧波和過電壓對電網和對電機的影響是十分嚴重的，盡管目前已經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際運行中，對于PWM輸出脈沖所產生過電壓問題，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，能夠實時的檢測PWM上升沿和下降沿，及時的補償過電壓來提高效率，減少電機的損壞和使用壽命。

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

在工業調速傳動領域中，與傳統的機械調速相比，用變頻器調速有諸多優點，顧其應用非常廣泛，但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，變頻器在現場通常與其它設備同時運行，例如計算機和傳感器，這些設備常常安裝得很近，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中最主要的諧波源之一，其對電力系統中電能質量有著重要的影響。

2、諧波產生的過程

諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波，如下圖所示。

諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據法國數學家傅立葉（M.Fourier）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與奇次性。在平衡的三相系統中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。

3、諧波危害

對于電力系統來說，電力諧波的危害主要表現有以下幾方面：

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

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。當注入電網的諧波頻率位于在網絡諧振點附近的諧振區內時，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度，諧波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱性負荷的變壓器而言，會大大增加勵磁電流的諧波分量。

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，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，引起電容器過負荷甚至爆炸，同時諧波還可能與電容器一起在電網中造成電力諧波諧振，使故障加劇。

(2)影響繼電保護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，容易造成系統事故，嚴重威脅電力系統的安全運行。

(3)對通訊系統工作產生干擾：

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，會在鄰近電力線的通信線路中產生干擾電壓，干擾通信系統的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在極端的情況下，還會威脅著通信設備和人員的安全。

(4)對用電設備的影響：

電力諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，畫面亮度發生波動變化，并使機內的元件溫度出現過熱，使計算機及數據處理系統出現錯誤，嚴重甚至損害機器。

此外，電力諧波還會對測量和計量儀器的指示不準確及整流裝置等產生不良影響，它已經成為當前電力系統中影響電能質量的大公害。

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干擾，可采取屏蔽、隔離、接地及濾波等技術手段。

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，適用于穩定、不改變的系統。而使用有源濾波器主要是用于補償非線性負載。LC濾波器是傳統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組合而成，與諧波源并聯，除具有濾波作用外，還有無功補償的作用。

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它負載，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。

③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。

變頻器中應用的低諧波技術可歸納如下：

㈠逆變單元的并聯多重化，采用2個或多個逆變單元并聯，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 逆變單元的串聯多重化，采用30脈沖的串聯逆變單元多重化線路，其諧波可減少到很小。

㈣ 采用新的變頻調制方法，如電壓矢量的菱形調制等。目前，許，多變頻器制造廠商已非常重視諧波問題，在設計時已從技術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。結論

綜上所述，可以清楚地了解諧波產生的原因，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使用無諧波污染的綠色變頻器等方法，將變頻器產生的諧波控制在最小范圍內，達到科學合理用電，抑制電網污染，提高電源質量

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，結合變頻器的內部結構的相關知識,分析變頻器諧波產生的原因及其危害,在此基礎上提出了抑制諧波的常用方法.關鍵詞：變頻器 諧波 危害 抑制

前言：在工業調速傳動領域中，與傳統的機械調速相比，用變頻器調速有諸多優點，顧其應用非常廣泛，但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，變頻器在現場通常與其它設備同時運行，例如計算機和傳感器，這些設備常常安裝得很近，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中最主要的諧波源之一，其對電力系統中電能質量有著重要的影響。

一、變頻器原理及其諧波的產生

變頻器是工業調速領域中應用較廣泛的設備之一，目前已在企業大量使用。變頻器一般采用是交-直-交結構（如圖一所示），它是把工頻（50HZ）變換成各種頻率的交流電源，以實現電機的變速運行的設備。其中控制電路完成對主電路的控制，變頻調速裝置用于交流異步電動機的調速，調速范圍廣、節能顯著、穩定可靠。

（圖一）一般通用變頻器為交－直－交結構

眾所周知，電機的轉速和電源的頻率是線性關系。

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換為頻率可調方向的交流電源。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產生影響。

從結構上來看，變頻器有交-直-交變頻器和交-交變頻器之分。目前應用較多的還是交-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，經三相橋式不可控整流成直流電壓，經濾波電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可調的交流信號。

在電力電子裝置大量應用以后，電力電子裝置成為最主要的諧波源。

變頻器輸入側產生諧波機理：對于變頻器而言，只要是電源側有整流回路的，都將產生因非線性引起的諧波。以三相橋整流電路為例，交流電網電壓為一正弦波，交流輸入電流波形為方波，對于這個波形，按傅氏級數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。單個基波與幾個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重要結論：沖量相等而形狀不同窄脈沖加在具有慣性環節上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。此結論是PWM控制的重要理論基礎。把

圖三a的正弦半波分成N個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律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應正弦部分面積（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。

變頻器輸出側產生諧波機理：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產生6組脈寬可調的SPWM波控制三相的6組功率元件導通/關斷，從而形成電壓、頻率可調的三相輸出電壓。其輸出電壓和輸出電流是由SPWM波和三角載波的交點產生的，不是標準的正弦波，如電壓型變頻器，其輸出電壓波形為方形波，用傅氏級數分解電壓方波和電流正弦鋸齒波可分析出包含較強的高次諧波成分，高次諧波對設備產生很強的干擾，甚至造成設備不能使用，周圍儀器信號失真。諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，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影響不很明顯，而對容量小的系統，諧波產生的干擾就不可忽視，諧波電流和諧波電壓的出現，對公用電網是一種污染，它使用電設備所處的環境惡化，給周圍的通信系統和公用電網以外的設備帶來危害。諧波污染對電力系統的危害嚴重性主要表現在：

（1）諧波對供電線路產生了附加諧波損耗。由于集膚效應和鄰近效應，使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。對發電機的影響除產生附加功率損耗、發熱、機械振動和噪聲和過電壓；對斷路器，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）諧波使電網中的電容器產生諧振。工頻下，系統裝設的各種用途的電容器其電路比系統中的感抗要大得多，不會產生諧振，但諧波頻率時，感抗值成倍增加而容抗值成倍減少，這就有可能出現諧振，諧振將放大諧波電流，導致電容器等設備被燒毀。

（4）諧波引起公用電網局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，這就使上述危害大大增加，甚至引起嚴重事故。

（5）諧波將使繼電保護和自動裝置出現誤動作，并使儀表和電能計量出現較大誤差；諧波對其他系統及電力用戶危害也很大：如對附近的通信系統產生干擾，輕者出現噪聲，降低通信質量，重者丟失信息，使通信系統無法正常工作；影響電子設備工作精度，使精密機械加工的產品質量降低；設備壽命縮短，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、高效率和巨大的經濟效益的同時，對電網注入了大量的諧波和無用功，使供電質量不斷惡化。另一方面，隨著以計算機為代表的大量敏感設備的普及應用，人們對公用電網的供電質量要求越來越高，許多國家和地區已經制定了各自的諧波標準，以限制供電系統及用電設備的諧波污染。

抑制諧波的總體思路有三個：其一是裝置諧波補償裝置來補償諧波；其二是對電力系統裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數可控為1；其三是在電網系統中采用適當的措施來抑制諧波。具體方法有以下幾種：

1.選用適當的電抗器。

（1）輸入電抗器。在電源與變頻器輸入側之間串聯交流電抗器（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（提高到0.75-0.85），這樣進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備或帶有開關控制的功率因數補償裝置；

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時才考慮配置交流電抗器。

（２）在直流環節串聯直流電抗器。直流電抗器串聯在直流中間環節母線中（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（提高到0.95）。此電抗器可與交流電抗器同時使用，變頻器功率＞30kW時才考慮配置。

（３）輸出電抗器（電機電抗器）。由于電機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，變頻器經逆變輸出后調制方波會在電路上產生一定的過電壓，使電機無法正常工作，可以通過在變頻器和電機間連接輸出電抗器來進行限制（圖五）。

圖五 串聯輸出電抗器

2.選用適當濾波器。

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生的電磁干擾噪聲的傳導，也可抑制外界無線電干擾以及瞬時沖擊、浪涌對變頻器的干擾。根據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）線路濾波器串聯在變頻器輸入側，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，如果控制回路電纜較長，外部環境的干擾有可能從控制回路電纜侵入，造成變頻器誤動作，此時將線路濾波器串聯在控制回路電纜上，可以消除干擾。

（2）輻射濾波器并聯在電源與變頻器輸入側，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使用效果更好。

輸出濾波器串聯在變頻器輸出側，由電感線圈組成，可以減小輸出電流中的高次諧波成分，抑制變頻器輸出側的浪涌電壓，同時可以減小電動機由高頻諧波電流引起的附加轉矩。注意輸出濾波器到變頻器和電機的接線盡量縮短，濾波器亦應盡量靠近變頻器。輸出濾波器從結構上分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

除傳統的LR,LC濾波器還在應用以外，當前抑制諧波的重要趨勢是采用有源電力濾波器，它串聯或并聯于主電路中，實時對電流中高次諧波進行檢測，根據檢測結果輸入與高次諧波成分具有相反相位電流，達到實時補償諧波電流目的，從而使電網電流只含基波電流。它與無源濾波器相比，具有高度可控性和快速響應性，且可消除與系統阻抗發生諧振危險，但存在容量大，價格高的特點。

對于工作性質是節能性的（同時有調節作用）大容量的電動機，為了改善電機的運行工況，降低發熱量，應考慮單獨串聯加裝電抗器。

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

對于小容量、多臺安裝的變頻裝置，單獨增加濾波設備顯然投入太大，且現有空間有限，則應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%，完全滿足國際標準的要求。其缺點是需要專用變壓器，不利于設備的改造，成本費用較高；

4．減少或削弱變頻器諧波的方法還有：

（1）當電機電纜長度大于50米或80米（非屏蔽）時，為了防止電機啟動時的瞬時過0電壓，在變頻器與電動機之間安裝交流電抗器；

（2）當設備附近環境有電磁干擾時，加裝抗射頻干擾濾波器

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

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

（5）選用具有開關電源的儀表等低壓電器；

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

四． 結論

變頻調速的應用使交流傳動上了一個新臺階，但變頻器諧波干擾的嚴重性也給設備穩定可靠運行帶來潛在威脅，如何才能最大限度的抑制變頻器諧波產生仍是擺在現今電氣技術工作者面前有待解決的最大課題。本文從諧波的概念入手，分析變頻器諧波產生的原因及其危害,在此基礎上提出了抑制諧波的常用方法，將變頻器產生的諧波控制在最小范圍內，達到科學合理用電，抑制電網污染，提高電源質量。