变频器谐波的危害及防治

变频器谐波的危害及防治

无锡金城海润电气 摘自文章1673-6540-（2012）11-0054-04

0 引言

随着经济的飞速增长和工业生产的迅猛发展，生产工艺

的控制要求越来越复杂化、精细化，大量非线性用电设备已经被广泛应用在生产生活中，例如采用变频器驱动的电动机系统，因其节能效果显著、调节防爆、维护简单而在工业上得到广泛的应用。但是由于变频器逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载，使得这些设备的利用在生产生活带来便利的同时，也产生了大量的谐波，威胁着用电安全，如何对变频器谐波进行防治也越来越被人们关注。

1 概述

1.1 变频器的工作原理

目前市场上应用最普通的交—直—交型变频器通常分 为四个部分：整流单元、储能元件、逆变单元、控制单元。其主要工作原理是首先通过整流单元将工作频率固定的交流工频电源转换为直流电源，并且将电能储存在储能元件内，接着再有逆变单元内大功率开关晶体管阵列组成的电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波，最后再通过控制单元按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使之叠加为符合控制要求频率近似正弦波的交流电，

来驱动交流电动机，同时实现对电动机电流、电压等方面的电气保护。

1.2 变频器谐波的产生

在电力的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。特别是变频器，无论哪一类型的整流方式，都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，和其电流不随着电压同步变化的非线性的电压—电流特性，使得它在运行时从电网中吸取能量的方式均不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，是电压发生畸变，产生谐波。

研究表明，变频器在运行过程中会产生相当数量的谐波，特别是目前最常用的6脉动变频器，其5、7次谐波相当明显，甚至可以达到基波电流的50%以上，足以对电网产生严重的影响。

1.3 变频器谐波的危害

谐波电流和谐波电压的产生会使电气设备所处的电网环境恶化，造成严重的危害，主要表现如下：

（1）增加线路损耗。由于输电线路阻抗的频率特性，线路随着频率的升高而增加，谐波电流会使输电线路的附加损耗增加，造成电能的浪费。

（2）影响各种电气设备的正常运行。对于发电机和旋转电

机，谐波会产生附加功率损耗、发热、降低使用寿命、产生异常的机械振动和噪声；变频器轻载时还会在电机端产生尖峰电压，破坏电机和电机线缆的绝缘；谐波还会加速电容器的老化，使电容器的附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命，甚至在一定条件下还会发生谐振，放大谐波电流，影响用电安全。

（3）影响继电保护和自动装置的工作的可靠性。谐波对电力系统中以负序（基波）量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这些按负序（基波）量整定的保护装置，一般整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加谐波的干扰，则会引起保护装置发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。

（4）干扰信号和影响控制精度。变频器所产生的高频谐波会在沿着线缆传输的同时，对周边的信号产生电磁干扰，如传感器、仪器仪表等，轻者会造成噪声，影响信号传输的质量，重者会直接造成信号丢失或者误动作，带来极大的生产和人身安全隐患。 2 变频器谐波的防治方案

目前变频器谐波的常用防治方法主要有以下几种。 2.1 区分和隔离谐波源

将变频系统的供电电源和其他设备的供电电源相互独立，或者在变频器和其他设备的电源处安装隔离变压器，从

源头切断谐波对供电系统内的其他设备的干扰，这种方法能将谐波污染控制在一定的范围内，防治谐波扩散的效果明显，但是也存在一些缺点，一是供电系统较复杂，工程投资较大，而是无法解决自身作为谐波源时对下端设备的谐波干扰问题，一般在医疗卫生、电子仪器制造等对电网谐波含量控制要求高的行业应用较为广泛。 2.2 使用低谐波的绿色变频器

变频器中应用的低谐波技术科归纳如下：

（1） 逆变单元的并联多重化，采用2个或多个逆变单元并 联，通过波形叠加抵消谐波分量。（2）整流电路的多重化，在PWM变频器中采用12脉冲、18脉冲或者24脉冲整流，以减少谐波含量。（3）逆变单元的串联多重化，采用30脉冲的串联逆变单元多重化线路，其谐波可减少到很小。（4）采用新的变频调制方法，如电压矢量的菱形调制等。 2.3 增装动态无功补偿装置

在技术经济分析可行的条件下，可以在谐波源处装设动态无功补偿装置：静止无功补偿装置或更先进的静止同步补偿装置，以获得补偿负荷快速变动的无功需求、改善功率因素、滤除系统谐波、减少向系统注入谐波电流、稳定母线电压、降低三相电压不平衡等，提高供电系统承受谐波的能力。 2.4 加装滤波器

目前工程上普遍采用的谐波防治方式是在变频的输入、