变频器的谐波危害与对策

　　变频器是工业传动领域中应用较为广泛的设备。由于变频器大功率二极管整流及大功率晶体管逆变过程中在输入输出回路产生高次谐波电流，从而对供电系统、负载及其他邻近电气设备产生干扰。

　　以变频器为代表的电力电子装置是公用电网中*主要的谐波源之一，其所产生的“谐波污染”已经成为阻碍电力电子技术自身发展的重大障碍。

　　抑制变频器在电力系统的“谐波污染”，可以减少谐波电流通过输电线路及元件所产生的附加功率损耗，提高电网设备效率，避免设备过热损坏；还可以消除电力系统中的串、并联谐振，避免电力系统自动化装置和继电器保护装置产生误动作，保证电气设备正常工作。另一方面，抑制“谐波污染”还能减少谐波对通讯及电子设备的干扰。

　　1谐波产生的原因谐波产生的根本原因在于负载中的非线性，当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，从而形成非正弦电流而产生谐波。

　　变频器的主电路一般由交一直一交构成，当外部输入380V/50Hz工频电源后，由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。谐波是正弦波，具有不同的频率、幅度与相角，又区分为偶次和奇次性。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波被消除，只有奇次谐波存在，因此，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。对于三相整流负载，出现的谐波电流是60 n*1次谐波，例如7、11、1又17、19次等，变频器主要产生5、7次谐波。

　　在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形。GTR大功率逆变元件PWM的载波频率为23 kHzIGBT大功率逆变元件的PWM*高载频15kH%同样，输出回路电流信号也可分解为只含基波和其他各次谐波。

　　2谐波的危害与一般无线电电磁干扰一样，变频器产生的高次谐波通过传导、电磁辐射和感应偶合三种方式对电源及邻近用电设备产生谐波污染。

　　21对变压器的危害谐波可以使变压器的铜耗、铁耗及噪声增大，特别是3次谐波及整数倍的谐波，危害更大。对于三角形连接的变压器，谐波会在其绕组中形成环流，使绕组发热；对于全星形连接的变压器，当绕组中性点接地而该侧电网中分布电容较大时，或者变压器装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐振而使变压器附加损耗增加。

　　22对电力电缆的危害由于谐波频率高，导线的集肤效应会使谐波电阻的增加比基波电阻的增加大，从而使附加线路损耗增大。除此之外，谐波还可能引起电压波形出现尖峰，使介质损耗增加和温升增高，引起浸渍绝缘的局部放电，加速电缆的老化，缩短电缆的使用寿命。

　　电缆的额定电压越高，谐波对电缆的危害越大。电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，严重时会造成绝缘击穿的事故。

　　23对电动机的危害谐波对电动机的危害主要是产生附加损耗，造成电机效率降低，机械振动和噪声增大。由于集肤效应、磁滞、涡流的存在，随着频率的增高，而使在电动机的铁芯和绕组中产生的附加损耗增加。由于电动机的功率不能按发热情况进行调整，所以，由谐波引起的电动机的发热效应是按它能承受的谐波电压折算成等值的基波负序电压来考虑的。试验表明，建材技术与应用：h20*6〖emic电动机在额定功率下持续承受3%额定电压的负序电压时，电动机的绝缘寿命要减少1/2>所以，国际上一般建议电动机在持续工作条件下所承受的负序电压不宜超过额定电压的2%. 24对低压开关的危害对配电用断路器而言，谐波电流可导致全电磁型的断路器铁耗大和发热，也能导致电子型的断路器额定电流降低。

　　25对通讯系统的危害谐波干扰会引起通讯系统出现噪声，降低通话的清晰度，严重时还会造成信号的丢失。在谐波和其基波频率的共同作用下，干扰可能导致电话铃的非正常开启，并威胁通信设备和人身的安全。高压直流换流站（HDDC）换相过程中产生的电磁噪声（3~10kHZ）也会干扰电力载波通信的正常工作，使利用载波工作的闭锁装置和继电器保护装置动作失误，中断电网的正常运行。

　　6对用电设备的危害谐波会使电视机、微型电子计算机出现图形畸变、亮度波动和元器件发热问题，造成计算机数据处理错误；对装有启动镇流器或用于提高功率因数的电容器的荧光灯和汞灯，谐波产生的谐振可造成镇流器或电容器的过热损坏，也可造成采用晶闸管的变速装置控制回路出现误动作、产生误触发问题。

　　3谐波的抑制1LC无源滤波法LC无源滤波器是一种常用的谐波补偿装置，原理是利用LC谐振回路抑制向电网注入的谐波电流，当谐振回路的谐振频率和某一高次谐波电流的频率相同时，就能将该次谐波电流滤除。由多个不同谐振频率组成的谐振回路，就能滤除多个高次谐波电流。

　　32静止无功补偿法方法是在电网侧投入无功补偿装置（SVC）补偿由谐波造成的无功功率，提高功率因数。传统的用固定电容器和晶闸管控制电抗器的无功补偿装置己经落后，代之为采用GTO构成的换向变流器（通常称为静止无功发生器或SVG）跟踪电网无功及谐波波动的补偿装置，其作用有：①在线实时自动控制补偿量，保持系统电压稳定，减少电压畸变；②吸收动态无功功率，减少损耗，提高功率因数；③吸收高次谐波，减少谐波公害，补偿三相负荷的不平衡性，提高供电系统的动、静态稳定性及供电质量。

　　33有源滤波器（APF）APF是一种动态无功补偿和抑制谐波的新型电力电子补偿器，由静态功率变流器构成，具有电力电子变流器的高可控性和快速响应性。它与无源滤波器的*大区别在于它向交流电网注入的补偿电流的幅值与负载注入电网的谐波电流大小相等，相位差180°，用以抵消负载所产生的谐波电流。APF装置克服了无源滤波器存在的缺点，成为今后无功补偿和谐波治理的发展方向。

　　34使用无谐波污染的变频器绿色变频器的标准是：输入输出电流都是正弦波，输入功率因数可控，拖动负载的功率因数为可获得工频上下任意可控的输出频率。

　　变频器内置的交流电抗器能很好的抑制谐波，可以保证整流桥不受电源电压瞬间尖波的影响。另外，一些大功率的变频器通常在电源中使用12脉冲或18脉冲整流来消除*低次谐波，用以减少谐波含量，例如12脉冲可将11、132玉25次的低次谐波滤除。变频器低谐波技术可归纳为：①逆变单元的并联多重化，采用2个或多个逆变单元的并联，通过波形叠加抵消谐波分量；②整流电路的多重化，如在PWM变频器中采用12脉冲、18脉冲或24脉冲整流减少谐波；③逆变单元的串联多重化，如采用30脉冲的串联逆变单元多重化线路，可将谐波减少到很小；④采用新的变频调制方法，如电压矢量的菱形调制等。

　　4结语消除变频器应用中的谐波危害是电力电子技术的/绿色工程“。开发推广变频技术必须与治理谐波危害同步进行，才能获得良好的经济效益，才能为变频器技术的推广应用创造更为坚实的基础。