变频器谐波产生原理及消除措施

李庆泽

摘要：变频器由于优越的调速性能、显著的节能效果及合适的价格，得到广泛的应用，但是变频器系统的谐波干扰和污染问题也带来了不可忽视的不良后果。本文从谐波的概念入手，结合变频器的内部结构的相关知识，详细地分析了变频器谐波产生的原因及其危害，在此基础上提出了抑制谐波的常用方法。

关键词：变频器 谐波 危害 抑制

1、什么是变频器的谐波？变频器谐波是变频器运行过程中，需要对输入电源用大功率二极管整流（或晶体管/逆变模块）进行逆变，在其逆变过程中，在输入输出回路产生的高次谐波。也就是说变频器在整流、逆变过程中，输入输出部分会产生大量的高次谐波。变频器谐波对供电系统、负载及其它临近电器设备产生干扰。

根据傅立叶级数对谐波的分析，任何周期性变化的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波整数倍数的谐波的正弦波分量。变频器谐波是一个周期量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，变频器谐波的幅值大小和谐波相对于基波的相位关系都是影响这个周期量的重要因素。通俗地说，基波频率是50HZ，那末谐波就是频率为100HZ、150HZ...N*50HZ的正弦波。

2、产生机理：实际上不限于变频器，凡是在电源侧有整流回路的，都将产生因其非线性引起的高次谐波。

2.1、变频器输入端谐波产生机理

变频器的主电路一般为交一直一交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压，经电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流电压。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，谐波次数通常为6n±1次高次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。

2.2变频器 输出端谐波 产生机理

在逆变输出回路中，输出电压和电流均有谐波。对于PWM控制的变频器，只要是电压型变频器，不管是何种PWM控制，其输出电压波形为矩形波。其中谐波频率的高低是与变频器调制频率有关，调制频率低（如1～2KHz），人耳听得见高次谐波频率产生的电磁噪声（尖叫声）。若调制频率高（如IGBT变频器可达20KHz），人耳听不见，但高频信号是客观存在。从电压方波及电流正弦锯齿波，用傅立叶级数不难分析出各次谐波的含量。所以，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其它各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。

3、谐波干扰途径

变频器谐波干扰途径还是与一般无线电干扰一样分传导和辐射，在传导的过程中，与变频器输出线平行敷设的导线又会产生电磁耦合形成感应干扰；变频器输出侧谐波又会辐射，对附近的无线电设备产生干扰，其干扰途径如图1所示。

4、谐波干扰的危害 。变频器谐波污染对电力系统的危害是严重的，主要表现在以下几个方面。

4.1、变频器谐波降低电力设备的使用寿命。如变频器电流谐波将会使变压器的铜损增加。变频器电压谐波将增加铁损，使其温度上升，影响绝缘能力，并造成容量裕度减小，同时变频器谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振。

4.2、变频器谐波影响各种电气元件的正常工作。变频器输出谐波对电动机的影响有：电机附加发热使电机额外升温；产生机械震动、噪音及过电流。变频器谐波会使电力电容发生过载、过热甚至损坏电容器。当电容器与线路阻抗达到共振时会发生振动、短路、过电流及产生噪声。变频器谐波电流会使开关设备在启动瞬间产生很高的电流变化率，破坏绝缘。

4.3、变频器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。

4.4、变频器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。

4.5、其他危害。变频器谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差；变频器谐波对其他系统及电力用户危害也很大：如对附近的通信系统产生干扰，轻者出现噪声，降低通信质量，重者丢失信息，使通信系统无法正常工作 ，变频器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。

5、治理措施：

5.1

变频器的隔离、屏蔽、接地。将变频器系统的供电电源与其它设备的供电电源相互独立，或在变频器和其它用电设备的输入侧安装隔离变压器，切断谐波电流。或者将变频器放入铁箱内，铁箱外壳接地。同时变频器输出电源应尽量远离控制电缆敷设，不小于50mm间距，必须靠近敷设时尽量以正交角度跨越，必须平行敷设时尽量缩短平行段长度不超过1mm，输出电缆应穿钢管并将钢管作电气连通并可靠接地。

5.2、安装适当的电抗器 。 在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器，吸收谐波和增大电源或负载的阻抗，达到抑制谐波的目的，以减少传输过程中的电磁辐射。 通过抑制谐波电流，将功率因数由原来的（0.5-0.6）提高至（0.75-0.85）；

5.3、避免干扰辐射。 电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆，并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设，避免辐射干扰；

5.4、变频器正确的接地。 正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。变频器使用专用接地线，且用粗短线接地，邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开，使用短线，这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰；

5.5、缩短线路长度。 缩短线路长度，电源线和信号线单独敷设，避免交叉，不能避免时，必须垂直交叉，绝对不能平等敷设，信号线屏蔽层不接到电机或变频器的，而应该接到控制线路的公共端；

5.6、线路分开。 因电源系统内有阻抗

所以谐波负荷电流将造成电压波形的谐波电压畸形。把产生谐波的负荷的供电线路和对谐波敏感的负荷供电线路分开

线性负荷和非线性负荷从同一电源接口点PCC开始由不同的电路馈电，使非线性负荷产生的畸变电压不会传导到线性负荷上去。

5.7、加装无功功率静止型无功补偿装置。 对于大型冲擊性负荷，以获得补偿负荷快速变动的无功需求，改善功率因数，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度，提高供电系统承受谐波能力。而其中以自饱和电抗型SR型

的效果最好，其电子元件少，可靠性高，反应速度快，维护方便经济，且我国一般变压器厂均能制造。

5.8使用滤波模块组件。 目前市场上有很多专门用于抗传导干扰的滤波模件或组件。这些滤波器具有较强的干扰能力，同时还具有防用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，对各类用电设备有很多好处。

结束语：本文从变频器的内部结构入手，分析了变频器谐波产生的原因和危害，在此基础上提出了抑制谐波常用的方法。相信随着电力技术及微电子技术的飞速发展，在治理谐波上将会迈上一个新的抬价。

参考文献：

[1]上海安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版

[2] 朱晶波；张庆玲.变频器的谐波干扰与抑制问题的探讨[J].电子制作，2012年12期

[3]吴忠智，吴加林.变频器应用手册[S].北京：机械工业出版社，2002年7月第2版