第一篇：變頻電源的諧波危害及解決措施

變頻電源的諧波危害及解決措施

作者：華騰開元 發(fā)表時(shí)間：2010-2-3 17:11:29 閱讀：次

一、變頻電源應(yīng)用中的問題

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，用變頻電源調(diào)速有諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛，但由于變頻電源逆變電路的開關(guān)特性，對其供電電源形成了一個(gè)典型的非線性負(fù)載，變頻電源在現(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，以變頻電源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。供電系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1）稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時(shí)也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波（Non-harmonics）或分?jǐn)?shù)諧波。諧波實(shí)際上是一種 干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”。電工技術(shù)領(lǐng)域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測量、危害及抑制，其頻率范圍一般 為2≤n≤40。

二、諧波的產(chǎn)生過程

向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備稱為諧波源。具有非線性特性的電氣設(shè)備是主要的諧波源，例如帶有功率電子器件的變流設(shè)備，交流控制器和電弧爐、感應(yīng)爐、熒光燈、變壓器等。

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。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次諧波。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。我國工業(yè)企業(yè)也越來越多的使用產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備，例如晶閘管電路供電的直流提升機(jī)、交-交變頻裝置、軋鋼機(jī)直流傳動裝置、晶閘管串級調(diào)速的風(fēng)機(jī)水泵和冶煉電弧爐等。這些設(shè)備取用的電流是非正弦形的，其諧波分量使系統(tǒng)正弦電壓產(chǎn)生畸變。諧波電流的量取決于諧波源設(shè)備本身的特性及其工作狀況，而與電網(wǎng)參數(shù)無關(guān)，故可視為恒流源。各種晶閘管電路產(chǎn)生的諧波次數(shù)與其電路形式有關(guān)，稱為該電路的特征諧波。除特征諧波外，在三相電壓不平衡，觸發(fā)脈沖不對稱或非穩(wěn)定工作狀態(tài)下，上述電路還會產(chǎn)生非特征諧波。進(jìn)行諧波分析和計(jì)算最有意義的是特征諧波，如果5，7，11，13次等。如直流側(cè)電流波紋較大，則5次諧波幅值將增大，其余各次諧波幅值將減少。當(dāng)電網(wǎng)接有多個(gè)諧波源時(shí)，由于各諧波源的同次諧波電流分量的相位不同，其和將小于各分量的算術(shù)和。變壓器激磁電流中含有3，5，7等各次諧波分量。由于變壓器的原副邊繞組中總有一組為角形接法，為3次諧波提供了通路，故3次諧波電流不流入電網(wǎng)。但當(dāng)各相

激磁電流不平衡時(shí)，可使3次諧波的殘余分量（最多可達(dá)20%）進(jìn)入電網(wǎng)。

三、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：（2）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。

（3）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。（4）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。（5）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。（6）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。（7）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。

四、諧波治理

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。治理諧波的主要措施有：加大系統(tǒng)短路容量；提高供電電壓等級；增加變流裝置的脈動數(shù)；改善系統(tǒng)的運(yùn)行方式，設(shè)置交流濾波器等都能減小系統(tǒng)中的諧波成分。交流濾波器又分為無源濾波器和有源濾波器兩種。有源濾波器是一種向系統(tǒng)注入補(bǔ)償諧波電流，以抵消非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流的能動式濾波裝置。它能

對變化的諧波進(jìn)行迅速的動態(tài)跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受系統(tǒng)阻抗影響。其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，運(yùn)行損耗較大，設(shè)備造價(jià)高；在補(bǔ)償諧波的同時(shí)，也會注入新的諧波。無源濾波器(又稱LC濾波器)是利用LC諧振原理，人為地造成一條串聯(lián)諧振支路，為欲濾除的主要諧波提供阻抗極低的通道，使之不注入電網(wǎng)。LC濾波器結(jié)構(gòu)簡單，吸收諧波效果明顯；但僅對固有頻率的諧波有較好的補(bǔ)償效果；且補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗的影響很大，在特定頻率下，電網(wǎng)阻抗和LC濾波器之間可能會發(fā)生并聯(lián)諧振或者串聯(lián)諧振。

五、綜述

無功功率補(bǔ)償, 諧波治理技術(shù)是當(dāng)前乃至今后相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi), 緩解電力供需矛盾, 改善供電質(zhì)量的一種行之有效的手段之一, 經(jīng)廣泛推廣應(yīng)用后, 能為國家和用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益。將變頻電源產(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。

第二篇：危害諧波變頻電源及解決措施

危害諧波變頻電源及解決措施

來源：直流電源http://www.tmdps.cn

變頻電源問題的變速驅(qū)動器在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，與傳統(tǒng)的機(jī)械變速相比，變頻電源控制有很多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用，但由于可變頻率逆變器電路中，為形成一個(gè)負(fù)載一個(gè)典型的非線性，可變頻率的電源中的字段通常和其他設(shè)備在同一時(shí)間運(yùn)行，如計(jì)算機(jī)和傳感器，這些設(shè)備的電源的開關(guān)特性通常安裝非常接近，這可能會導(dǎo)致相互影響。因此，變頻電源與電力電子器件的主要公共電網(wǎng)的諧波源之一，電能質(zhì)量有著重要的影響。供電系統(tǒng)中的非正弦周期電的傅哩噎系列分解，除了得到相同的基頻分量和電網(wǎng)的諧波，但也獲得了一系列的基頻分量的定義是大于電網(wǎng)，電源稱為諧波。比基波和諧波頻率（N = fn/f1）稱為諧波次數(shù)。有時(shí)非諧波（非諧波）或分?jǐn)?shù)諧波。諧波實(shí)際上是一種干擾，使權(quán)力的“污染”，電能質(zhì)量惡化。諧波電工領(lǐng)域發(fā)生，傳輸，測量，危害和抑制的主要研究，其頻率范圍一般為2≤N≤40。電氣設(shè)備生產(chǎn)過程中，兩個(gè)諧波對公用電網(wǎng)諧波電流和諧波電壓在公共供電網(wǎng)絡(luò)上被稱為諧波源。具有非線性特性的電氣設(shè)備是主要諧波源，如電力電子轉(zhuǎn)換器的設(shè)備，通信控制器和電弧爐，感應(yīng)爐，熒光燈，變壓器等。的根本原因是由于非線性負(fù)載引起的諧波。當(dāng)電流通過負(fù)載時(shí)，的關(guān)系不是線性的與所施加的電壓，在非正弦電流的形成，導(dǎo)致諧波。諧波頻率的基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國數(shù)學(xué)家傅里耶（M.Fourier）的任何重復(fù)的波形，可以分解成正弦波成分分析原理包含多個(gè)基波的諧波的基本頻率和一系列。諧波正弦波，每個(gè)諧波的頻率，振幅和相位是不同的。諧波可以分為偶數(shù)和奇次諧波。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被淘汰，只有奇次諧波的存在，導(dǎo)致奇次諧波的危害比諧波更多。電氣設(shè)備的工業(yè)企業(yè)，在中國有越來越多的諧波，如DC晶閘管電路供電的起重機(jī)械，交-交變頻器，軋鋼機(jī)直流傳動裝置，晶閘管串級調(diào)速的風(fēng)扇和水泵和冶煉電弧爐。這些設(shè)備使用電流不是正弦曲線，系統(tǒng)電壓失真的諧波分量。在諧波源設(shè)備本身的特征和工作條件的高次諧波電流被確定，而不管網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，所以它可以被視為一個(gè)恒定電流源。所有種晶閘管電路和電路形式所產(chǎn)生的諧波，稱為電路的特征諧波。除了特征諧波，在三相電壓不平衡，觸發(fā)脈沖不對稱或不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，該電路可以產(chǎn)生非特征諧波。諧波分析和計(jì)算最顯著的特征諧波，5，7，11，13。如直流電流紋波，5次諧波的幅值會增加，其余部分的諧波振幅值將被減小。當(dāng)電源被連接有多個(gè)諧波源，由于相位均勻的高次諧波電流成分的諧波源是不同的，將是小于的各個(gè)組成部分的算術(shù)和。變壓器磁化電流的含3，第5，第7和第二高次諧波分量等。由于變壓器的初級和次級繞組的角度連接的一組，提供了一條路徑的3次諧波，所以3的高次諧波電流不流入電網(wǎng)。但是，當(dāng)勵(lì)磁電流的不平衡，3次諧波（高達(dá)20％）的殘差分量注入電網(wǎng)。三，電力系統(tǒng)諧波的危害，諧波的危害主要有以下幾個(gè)方面：

（1）增加的運(yùn)輸，供應(yīng)和使用的電氣設(shè)備的額外損失，使設(shè)備過熱的溫度，降低利用效率和經(jīng)濟(jì)效益設(shè)備

（2）在對傳輸線的：增加的能量損失的高次諧波電流的傳輸線的諧波的影響。當(dāng)諧振諧波頻率注入電網(wǎng)位于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的共振點(diǎn)附近，會導(dǎo)致傳輸線和電力電纜線路的絕緣擊穿。

（3）在變壓器上的諧波的影響：諧波電壓的變壓器的磁滯損耗，渦流損耗和絕緣的電場強(qiáng)度，存在的諧波電流增加銅損。具有不對稱負(fù)載的變壓器，將大大增加勵(lì)磁電流的諧波分量。危害諧波變頻電源和解決措施（2）（4）電力電容器上的諧波的影響：在所述電容器兩端的電壓諧波，電容器是非常小的電源諧波阻抗，高次諧波電流被疊加在電容器是根本，電容電流增大，溫度升高，壽命縮短，甚至爆炸電容器的過載，諧波也可能是在配合引起的電容器在電力系統(tǒng)中的電力諧波，故障加重。（5）影響繼電保護(hù)和自動裝置的工作可靠性，特別是對電磁繼電器，電力諧波經(jīng)常會導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置誤動或誤動，動作失去選擇性，可靠性低，容易造成系統(tǒng)事故，燕中巍和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。（6）的通信系統(tǒng)的干擾：電力線通過的大振幅低頻諧波電流奇數(shù)通過磁耦合，會產(chǎn)生干擾電壓電力線附近，干擾通信系統(tǒng)中的通信線路，影響通信線路呼叫的清晰度，即使在極端情況下，也威脅到通信設(shè)備和人員的安全。（7）電氣設(shè)備的影響：電力諧波會使的圖形失真電視，電腦，屏幕亮度起伏變化，使機(jī)器元件的溫度過熱，計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞機(jī)器。此外，電力諧波的不利影響將是測量和測量儀器的指示是不準(zhǔn)確的，整流裝置，它已成為一種擾民的電流在電力系統(tǒng)中的質(zhì)量。四，諧波治理諧波問題，抑制輻射干擾和電源系統(tǒng)的干擾，可采取屏蔽，接地，隔離和濾波技術(shù)。控制高次諧波的主要措施是：增加系統(tǒng)容量，提高電源的電壓電平增加的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換器的移動設(shè)備的操作模式，以改善系統(tǒng)，設(shè)置交流濾波器可以減少系統(tǒng)中的諧波分量。AC濾波器由無源濾波器和有源電力濾波器2。有源濾波器是一種注入諧波電流補(bǔ)償系統(tǒng)，有源濾波器來補(bǔ)償非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流的。它可以是快速的動態(tài)跟蹤補(bǔ)償諧波發(fā)生變化，并通過系統(tǒng)的阻抗的補(bǔ)償性能不會受到影響。它的結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的，損失大，設(shè)備成本高，在補(bǔ)償諧波同時(shí)，也將注入新的諧波。無源濾波器（LC濾波器）是使用LC共振原理，人為地引起的串聯(lián)諧振電路具有極低的阻抗，信道作為主諧波以進(jìn)行過濾，所以注入到電網(wǎng)。LC濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，諧波吸收效果是顯而易見的，但僅在的固有振動頻率的諧波補(bǔ)償效果好;及補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗大時(shí)，在一個(gè)給定的頻率，可能會發(fā)生在并聯(lián)諧振或電網(wǎng)阻抗和LC濾波器之間的串聯(lián)諧振。五，審查的無功功率補(bǔ)償，諧波抑制技術(shù)，是當(dāng)前和今后相當(dāng)長的一段時(shí)間，以緩解電力供應(yīng)和需求之間的矛盾，提高電源的質(zhì)量，廣泛使用的有效手段之一，可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益，為國家和用戶。諧波產(chǎn)生變頻電源控制在最小的范圍內(nèi)，達(dá)到科學(xué)合理的利用，抑制電網(wǎng)的污染，改善電能質(zhì)量。

第三篇：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

第四篇：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。

第五篇：諧波諧振的危害及防治措施

諧波諧振的危害及防治措施

在電網(wǎng)運(yùn)行中，不可避免地會產(chǎn)生諧波與諧振，二者既有聯(lián)系，更有區(qū)別，以下就其定義、產(chǎn)生原因、危害及預(yù)防措施作以介紹，供參考。

1、定義

諧波是一個(gè)周期的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍，又稱高次諧波。通俗地說，基波頻率是50HZ，那末諧波就是頻率為100HZ、150HZ、200HZ...N*50HZ的正弦波。諧振是交流電路的一種特定工作狀況，在由電阻、電感和電容組成的電路中，當(dāng)電壓相量與電流相量同相時(shí)，就稱這一電路發(fā)生了諧振。諧波在電網(wǎng)中長期存在，而諧振僅是電網(wǎng)某一范圍內(nèi)的一種異常狀態(tài)。

2、產(chǎn)生原因

諧波的產(chǎn)生是由于電網(wǎng)中存在著非線性負(fù)荷（諧波源），如電力變壓器和電抗器、可控硅整流設(shè)備、電弧爐、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、家用電器等，另外，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生諧振時(shí)，也要產(chǎn)生諧波。

諧振的發(fā)生是由于電力系統(tǒng)中存在電感和電容等儲能元件，在某些情況下，如電壓互感器鐵磁飽和、非全相拉合閘、輸電線路一相斷線并一端接地等，在部分電路中形成諧振。諧波也可產(chǎn)生諧振，由諧波源和系統(tǒng)中的某一設(shè)備或某幾臺設(shè)備可能構(gòu)成某次諧波的諧振電路。

3、危害及防治措施 由于諧波的存在，使得電壓、電流的波形發(fā)生畸變，可導(dǎo)致變壓器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)等電氣設(shè)備的損耗增大；電容器絕緣老化加快，使用壽命縮短；引起系統(tǒng)內(nèi)繼電保護(hù)和自動裝置誤動或拒動；干擾通訊信號等危害。

當(dāng)電網(wǎng)中諧波含量超出國家規(guī)定，就必須采取措施消除或抑制諧波，電力系統(tǒng)多采用濾波器裝置來消除諧波。諧振可導(dǎo)致系統(tǒng)一定范圍內(nèi)的過電壓和過電流。諧振過電壓不僅危害設(shè)備的絕緣，而且產(chǎn)生大的零序電壓分量，出現(xiàn)虛假接地和不正確的接地指示，并使小容量的異步電機(jī)發(fā)生反轉(zhuǎn)。持續(xù)的過電流會引起PT熔件熔斷甚至燒毀PT。在發(fā)生諧振時(shí)，運(yùn)行人員應(yīng)根據(jù)電壓、電流的異常指示，判斷諧振類型及可能產(chǎn)生的原因，并果斷采取措施，防止事故擴(kuò)大。