变频器谐波的干扰分析及预防治理

刘治国+牛波+沈滢

摘 要： 节能减排是摆在世界人们面前的亟待解决的大问题，变频器在电厂中的广泛应用为节约能源起到了巨大作用。变频器运行时产生大量的高次谐波，而且众多的变频器谐波会相互叠加，谐波将会影响电动机正常运行，还会导致供电设备发热损坏，严重干扰电源及周围的电气和电子设备的运行，为了消除这些干扰，必须进行变频器谐波干扰分析。

关键词： 变频器；谐波；干扰分析

0引言

随着低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济模式不断推广，以能源技术创新为核心的变革正大步走入我们的生产生活当中。出于节约能源和自动化控制的目的变频调速技术电厂及其他领域被大规模应用，不仅数量多、功率大，并被密集使用，在工业变频器给大家带来高效节能、控制精确的同时，也产生了诸多的不利的影响，如谐波干扰、电磁干扰等等，尤其是在今天电厂等实现大规模工业总线控制的领域，问题尤为突出。

1问题的提出

变频器运行时产生大量的高次谐波，而且众多的变频器谐波会相互叠加，谐波将会影响电动机正常运行，还会导致供电设备发热损坏，严重干扰电源及周围的电气和电子设备的运行。同時，变频器的电磁干扰会对控制设备尤其是现场总线设备的干扰更大。为了保证系统的安全稳定运行，必须对这些问题进行原因分析，并据此提出相应措施，使这种高效节能的技术再生产中更好的发挥作用。

2变频器谐波干扰分析

2.1 变频器谐波的产生及危害

采用变频器对风机变频调速，变频器输入侧为整流回路，具有非线性特性，产生的高次谐波使输入电源的电流波形、电压波形发生畸变；变频器输出侧为一系列矩形波组成的脉宽调制的接近于三相正弦波形的交流电，输出电压和电流波形中均含有高次谐波，每一个变频器作为谐波电力源，向电源母线注入谐波电流，由于每一段母线上带有10多台变频器，因此产生大量的谐波电流，谐波电流会在系统上产生相应的谐波压降，在母线上引起电压畸变。同时低压母线上的谐波电流通过系统在更高的电压母线上引起电流和电流和电压畸变，因此谐波直接影响到了各级母线的电能质量。

谐波对电力系统的危害大致有以下几个方面：

2.1.1谐波对变压器的危害：由于电流的趋肤效应，增加了铜损；高频涡流会增加铁损。由于损耗的增加，导致过热、效率降低；发热降容，导致变压器超载甚至绝缘损坏。

2.1.2谐波对电动机的危害：由于电流的趋肤效应，增加了铜损；高频涡流会增加铁损。会导致电动机过热，功率下降，易造成电动机绝缘损坏，谐波还会产生机械振动，噪音和过电压，谐振电压使电机绝缘老化容易击穿。

2.1.3谐波对电缆的危害：同样的电气原理，会使电缆发热增加，电缆过热。容易引起绝缘击穿断路或火灾烧毁电缆。

2.1.4谐波会引起系统中局部的并联谐振和串联谐振，而使谐波放大，瞬间过电压放电。

2.1.5谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，会使电气测量仪表计量不准确。

2.1.6谐波会使临近的通信系统产生干扰，产生噪声，减低通讯质量或数据丢失。

3谐波干扰的治理及防止

为了减少变频器谐波对电力系统的危害，减少谐波对电气设备的影响，探讨采用以下措施。

3.1 变压器接线组别采用30°相角差

变频器注入系统的特征谐波电流次数与脉动数有关，当脉动数增多时，产生的谐波次数次数增高，减少了谐波源产生的谐波电流。大多变频器为6脉动变频器，变压器成对设置，分别采用Y，y12和Y，d11接线组别，使二次侧电压移向30°，从而在高压侧使5、7、17、19等次谐波成对抵消，减少了注入系统的谐波电流。

3.2独立设置变频器电源

由于采用了变压器移相30°的措施，在附近的其他电气设备要单独采用其他电源供电，使变频器谐波不会直接传导到其他电源系统，可以有效的抑制变频器谐波干扰。

3.3变频器前后设置感性滤波装置

为了减少变频器谐波对电源的污染，变频器配置输入滤波器，为了减少对电机影响，调节PWM输出波形，减低du/dt和峰值电压，降低电动机承受的电应力，变频器配置输出滤波器。

3.4 变频器到电机的电缆采用变频专用电缆选择电缆时，应考虑谐波引起的以下影响：

3.4.1共模电流对电机的危害。

在正常情况下，正弦波电源是平衡对称的，中性点电压为零，采用变频器由于是把直流电压转换成三相电压，虽然输出电压基频分量是对称平衡的，但是无法在仅有两个输出电平的情况下使瞬时达到三相输出电压之和为零，这就导致中性点电压不为零，该电压就是共模电压的来源。共模电压在变频器和电动机通路之间形成共模电流，共模电流通路包括电动机基座，电缆屏蔽层，接地导体，元件对地电容等。如果共模电流通路的阻抗比较大，部分共模电流可能通过电动机轴承，转轴和转动机械返回变频器，轴电流会使先关部件受损。

3.4.2脉动电压对绝缘的冲击。

变频电源的频率调节范围较宽，不论频率高低，具有一个主频的波形轮廓，它包含了多个高次谐波，作为一种行波多次反射，幅值叠加可达到工作电压数倍，电缆越长，幅值越高，若电缆的绝缘安全系数不高，将可能被击穿。

3.4.3高频电磁波通过电缆对外发射。

随着变频器功率的不断增大，电缆不得不加长，在工作是高频电磁波将通过电缆向外发射，对周围的电子通信设施产生干扰。·变频器专用电缆是专为变频器设计的电缆，变频器专用电缆的结构包括三根主导线和三根零线，并且主导线和零线均匀对称布置，在主导线绝缘和零线绝缘外一次设置内绕包层、铜屏蔽、外绕包层和外护套层，形成3+3形线芯结构。变频专用电缆能有效的减少共模电流对电机的危害，同时具有较强的耐受电压冲击性，抑制高频电磁波对外发射。endprint

3.5电机采用变频电机

由变频器供电的电机，由于变頻器输出侧电压谐波分量高，电机要求长期低速运行以及电机调速范围大等特点，要求电机采用变频供电专用电机，电机的冷却方式、绝缘介电应力，轴电流，接地，噪声，振动等方面均与普通电机有所不同。

3.6电气设备均要求安全可靠基地

接地的目的一是保护操作人员和设备的安全既“保护基地”；二是为了抑制电磁干扰，提供电子测量中的电位基准，既“工作地“。保护接地点与工作接地点要分开设置，以防止安全接地点对工作接地点的干扰和影响。由于存在大量的谐波，为了减少他对设备的的电磁干扰，要求系统中所有电气设备要严格采取接地措施，变压器中性点、变压器、开关柜、变频器、电动机外壳、电力电缆接线盒、电缆外皮、电缆保护钢管、电缆桥架等均要接至电气接地网，变频专用电缆的3根零线及屏蔽层应两端接地，电缆屏蔽接地时要沿360。搭接接地。

3.7 变频器问、配电间、及电子设备间铺设金属屏蔽网

变频器间是最大的电磁干扰源，一方面谐波通过配电网传送，另一方面谐波通过杂散电容、互感等路径，由电力电缆耦合只控制电缆和通讯电缆使模拟信号或数字信号发生千畸变。变频器的主要元件IGBT等高频开关元件在通断时，将对外辐射大量的高频电磁波。为了最限度的减少变频器对其他电子和通迅设备的干扰，在变频器间的墙体地面敷设金属屏蔽网，来隔离电磁干扰源的外泄。

3.8 在控制设备及电缆使用中防止干扰

在采用大量的控制谐波外泄的措施同时，再控制设备及测量二次线方面积极采用防止干扰的措施。由于干扰与距离的平方成反比，控制线缆应远离变频设备，敷设时尽量避免平行敷设、控制电缆、信号电缆采用屏蔽措施、采用光缆传输信号。

4结论

本文通过对工厂中大规模使用变频器带来的谐波及电磁干扰现象和事例分析，认为使用变频器在节能的同时不可避免就要产生干扰，但是针对不同干扰，通过预防措施可以减轻或降低其危害。希望在相似的工厂设计、实施中有一定的参考价值。

参考文献

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