变频器输出频率与负载率对谐波产生的影响

惠南南（浙江油田分公司质量安全环保部）

在如今整个中国石油天然气集团公司节能降耗的大背景之下，油田生产中越来越多的应用了变频器设备，由于其优良的节能调速特性，已成为节能降耗的有效措施，主要应用于抽油机、潜油电泵、螺杆泵、机泵等油田主要生产设备中。但同时，变频器在使用过程中会产生谐波，对供电系统、负载等相邻电气设备造成不良影响，甚至引发安全事故。因此，对于变频器产生的谐波需要进一步的研究、探讨、实验并加以治理。

1 变频器谐波的成因与特性

1.1 变频器谐波产生的原因

在输入端，电压主波形为正弦波，而电流波形为非正弦波，这是由非线性二极管组成的三相桥式整流桥的参数离散引起的[1]。变频器输入电压、电流波形图如图1所示。

图1 变频器输入电压、电流波形图

在输出端，线电压为正弦脉宽、幅值相等的窄矩形波，而相电压为阶梯波，电流接近正弦波，载波频率越高，越接近正弦波。变频器输出电压、电流波形图如图2所示。

图2 变频器输出电压、电流波形图

因此，变频器的输入电流和输出电压均为非正弦波。由于存在非正弦波，所以存在谐波和谐波电压。

1.2 变频器谐波的特性

变频器谐波有功功率是非线性负荷所产生的，谐波有功功率方向与基波有功功率的方向相反，是从用户端反送入电网。对于变频器谐波源的用户，其计量入口处的总有功功率将是基波有功功率和谐波有功功率之代数和（实际为相减）[2]。在变频非线性负荷的工作过程中，基波的一部分功率会转化为谐波有功功率，谐波有功功率会流入电网，在各种输配电元件和其他设备中产生损耗和干扰。

2 谐波的影响与危害

1）谐波对于供电电路中的无功补偿设备有一定的影响，当谐波流入电网时，使得变电所高压电容产生过电流或过负荷，从而无法确保电容设备的正常使用，情况严重时，电容会使得电网谐波进一步放大[3]。

2）对于旋转发电机和电动机，由于定子绕组、转子回路和铁芯中存在的谐波电流或谐波电压产生附加损耗，降低了配电系统和电气设备的系统效率。更为严重的是，谐波振动容易使汽轮发电机产生振动力矩，从而引起机械共振，引起叶片变形，导致设备无法正常工作。

3）电网中存在谐波会使得测试仪器以及计量装置产生误差，达不到正确的指示和计量。当断路器断开含有谐波的电流时，断路器的能力将大大降低，从而引起电弧重燃、断路甚至短路爆炸。

4）谐波会使得配电系统中增加变压器的铜损、铁损，影响变压器使用容量与使用效率，使得变压器噪声增加，使用寿命缩短[4]。

5）谐波不经处理不能自然消除，电网中的谐波电压与谐波电流积累和叠加，导致线损增大，电力设备的过热，加大了电力运行成本，增加了电费支出[5]。

3 变频器谐波的测量实验

变频器输入端、输出端都是三组对称的电压、电流波形。按照变频器谐波的理论，不存在“3”（3、6、9、12、15、18、21、24……）的整数倍谐波，也同样不存在“2”（2、4、6、8、10、12、14、16……）的整数倍谐波，由此说明变频器频谱只存在5、7、11、13、17、19次……。

在某实验室条件下，对型号为Y280S-8，电动机额定功率为37 kW，额定转速为740 r/min 的电动机进行谐波实验，配备的变频器为油田常用的某型号变频器。本次实验测量的是谐波电流畸变率以及各次谐波电流含有率（即各次谐波电流与基波电流的比值）。

实验一：将变频器频率设置为50 Hz，调节电动机的负载大小来进行试验，对相同频率情况下，不同负载情况下的电动机进行谐波实验，负载分别为20%、40%、60%、80%、100%，实验结果如表1所示。

表1 不同负载下电网侧谐波电流总畸变率

由实验一的结果可以看出，在相同频率的条件下，电网侧谐波电流总畸变率随着负载率的升高而降低，当负载率为100%时，谐波电流总畸变率为最低值。

实验二： 设定电动机的负载率为恒定（100%），在变频器的输出频率分别为20、25、30、35、40、50 Hz 时分别进行谐波实验，实验结果如表2 所示。同时，也测量了5、7、11、13、17、19 次、23 次谐波电流含有率，实验结果如表3所示。

表2 不同频率下电网侧谐波电流总畸变率

由实验二可以看出，表2 中实验数据显示，电网侧电流谐波总畸变率随着变频器输出频率的升高而降低。当频率为50 Hz 时，谐波电流总畸变率为最低值。由表3 中实验数据可以看出，在5、7、11次时谐波电流含有率较大，各次谐波电流含有率与变频器输出频率有关。在较低输出频率运行时产生的谐波电流会造成电动机发热，无功损耗增大，功率因数减小。所以谐波电流在变频器输出频率较低时造成的影响更大。

表3 不同频率下电网侧分次谐波电流含有率

4 变频器谐波的治理

目前，治理变频器谐波问题可以采用以下方法。

1）安装交流电抗器和直流电抗器：当变压器容量大于500 kVA、且容量大于变频器容量10 倍以上时，需要在变频器输入侧安装交流电抗器；当变压器三相输出电压不平衡且不平衡率大于3%时，变频器输入电流峰值较大，会导致导体过热，需要交流电抗器[6]。严重时，应装设直流电抗器。

2）安装无源滤波器：在变频器的交流侧安装无源滤波器。无源滤波器由L、C、R三个分量构成谐波谐振环，当L、C 回路的谐波频率与某一谐波电流的谐波频率相同时，可以防止谐波流入电网[7]。无源滤波器具有投资少、结构简单、运行稳定、易于维护等特点，而缺点是容易受系统参数设定的影响，有可能会将一些次谐波放大，体积较大、成本较高。

3）加装无功功率静止型无功补偿装置：当负载是一些冲击负荷较大的设备时，可安装无功功率静态无功补偿装置，以获得补偿负荷快速变化的无功功率需求，提高功率因数、滤除系统谐波、稳定电压、减少三相电压不平衡，从而提高供电系统的谐波承受能力[8]。其中，自饱和电抗型的效果最好，电子元器件少、可靠性高、反应速度快、维修方便经济，可由国内一般变压器厂生产[9]。

4）线路分开：由于电力系统中的阻抗，谐波负载电流会引起电压波形的畸变。将产生谐波负荷的供电线路与对谐波敏感的负荷供电线路分开[10]。线性负载和非线性负载由来自同一接口点PCC 的不同电路供电，使得非线性负载产生的畸变电压不会传输到线性负载[11]。

5）电路的多重化、多元化：并联使用两个或两个以上的逆变单元，通过波形移位叠加消除谐波分量[12]；多重整流电路采用12、18、24 脉波整流，减少谐波分量；串联多重功率单元采用多脉波（如30 脉波串），而功率单元多路电路也可以减少谐波分量。

5 结语

文中分析了变频器产生滤波的原因，并通过对比实验分别研究了变频器负载、变频器频率与变频器谐波产生的关系，以及谐波的一些治理方法。通过科研人员的不懈努力和产品成本降低、变频技术进步，在未来若干年内，变频器谐波问题将得到有效解决，使变频器也成为真正的“绿色电源”。