浅析调速变频器谐波的产生及抑制方法
【摘要】调速变频器在工业生产中的应用十分普遍，但由于变频器也容易产生的谐波电流，对供电系统、负载及其他邻近电气设备产生干扰，因此，调速变频器谐波干扰问题引起人们的重视。

本文主要介绍了变频器谐波的危害及产生的原因，并提出了抑制谐波干扰的技术方法，对提高变频器运行的可靠性和安全性提供参考。

【关键词】变频器；谐波；危害；抑制方法
在工业生产中，采用变频器驱动的电动机系统因其节能效果明显，调节方便维护简单，网络化等优点，而被越来越多的应用。

但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，变频器在现场通常与其它设备同时运行，例如计算机和传感器，这些设备常常安装得很近，这样可能会造成相互影响。

因此，以变频器为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源之一，其对电力系统中电能质量有着重要的影响。

因此，分析变频器谐波产生的原因，进而采取相应的抑制方法意义重大。

1谐波的危害
谐波对常见的一些电气设备造成的危害如下：（1）对变压器的危害；（2）对交流电动机的危害；（3）对各类开关设备及保护设备的危害；（4）对计量仪表设备的危害；（5）对电力电子设备的危害；（6）对电缆及电力电容的危害。

2 谐波产生原因
变频器分为两大类：直接变频器和间接变频器。

当前，在工频电
网中，间接式变频器应用比较广泛，间接变频器为交流—直流—交流的工作方式。

变频器输入工频电流后，在其内的桥式不可控整流器转换为直流电，之后再由滤波电容滤波，最后再由大功率晶闸管元件逆变为可调频的交流电。

因此，变频器的输入部分实质上是整流电路，输出部分为逆变电路。

但整流元件和逆变元件都为非线性元件，这会让变频器的输入端及输出端都产生谐波。

2.1 变频器输入端产生谐波的原因
目前，调速变频器常用的整流元件多为晶闸管或二极管整流元件。

在带阻感负载的整流电路及采用电感滤波的二极管整流电路中，输入电流为非正弦波，包含有高次谐波成分，最后会给电路带来谐波污染。

2.2 变频器输出端产生谐波的原因
变频器输出端输出的电压和电流是由pwm波和三角载波在交点形成的，不是标准的正弦波形。

结果输出方形电压波和锯齿形电流波，这些波形中可分析出含有很强的高次谐波。

3 对谐波污染采取的抑制方法
目前，对于变频器谐波的污染，治理它的思想是从两个大的方面来进行考虑的：第一是采用所谓的“绿色”变频器。

“绿色”变频器是指产生谐波电流很小的变频器，这类变频器基本上不会带来太大的谐波污染。

第二是治理已产生的谐波污染，同时也对放大谐波污染设备加以改进或修正。

3.1 绿色变频器
绿色变频器要求达到这样的标准，输出和输入的电波均要求十分地接近正弦波形，而且要求输入电流的功率因数可控制，在任何负载的情况下都可以把cosφ调节到1。

另外，输出电波的频率在工频范围之内。

对于普通变频器做如下一些调整，将会达到绿色变频器的标准。

（1）对变频器输入侧的改进及建议
对于变频器输入侧的谐波治理的建议为：第一，在变频器输入侧的整流电路部分与电源之间串联一个内置交流电抗器，电抗器能够很大程度上抑制谐波电流，减少瞬间峰值电涌电流对整流电桥的冲击。

第二是对于四象线运行和动态性能较高的一些场合，变频器的二极管整流电路可以采用全控型电力电子元件组成的pwm型整流电路。

这类整流电路的输入谐波很低，功率因数也可以控制。

第三是对于晶闸管整流元件，可以采用增加脉冲的方法来消除最低次谐波成分。

对于第一种情况，笔者认为应该满足以下几个条件：第一，电源容量与变频器容量之比大于10 ：1；第二，内置功率因数补偿设备；第三，三相电压不平衡大于等于30%，这样的条件下适合内置电抗器。

在制造工艺方面，笔者提出以下几个改进的建议：第一，电抗器绝缘等级必须相当高；第二，电抗器与电源线之间的引线尽量与控制线分开走线；第三，电抗器在变频器内安装必须牢固，不能产生噪音及其它事故。

对于第二种情况，提出以下两条建议：第一，pwm整流电路输出
的载波频率必须足够高，以达到抑制谐波目的；第二，避免pwm输出波与三角波相叠加。

对于第三种增加脉冲的情况，笔者建议：绿色变频器的脉冲数在12～24之间为宜。

以6脉冲晶闸管整流电路和12脉冲晶闸管整流电路为例，6脉冲晶闸管输入电流的5次谐波可达20%，而7次谐波成分可达12%，高次谐波可达35次以上。

12脉冲的晶闸管整流电路，由两组晶闸管整流桥串联组成，降低了5次谐波与7次谐波，如图1所示。

采用18脉冲的整流电路，谐波电流失真度会小于5.6%，24脉冲整流电路的谐波失真度更低。

但是增加脉冲，整流电路结构会更复杂，成本增加，工作稳定性下降。

另外，笔者建议，对变频器的整流部分，还可采用整流电路多重化的方法，以及电压矢量菱形调制等方法来对其从结构上加以改进。

（2）对变频器输出侧的改进与建议
对于变频器输出端的谐波抑制，应该做如下调整：第一，将其滤波元件更换为性能更好的噪声滤波器，并且在此处适当降低载波频率；第二，在输出侧内置输出电抗器，此处电抗器要求同输入电抗器的要求相似；第三，采用逆变单元并联多重化方式，让输出电波中的谐波成分相叠加，消除一些谐波成分。

但逆变单元串联或并联的个数不宜过多，2～5单元为佳。

3.2 变频器外谐波治理措施的改进
对于电路中已形成的谐波，治理的常用措施一般为屏蔽、隔离、
接地、滤波以及反治振等。

下面就上述措施加以探讨。

（1）对屏蔽措施的探讨
对于联接在变频器与电动机等电气设备之间的电缆及信号线，将它们穿钢管或者采用铠装。

电缆在进出钢管的这些地方，应做金属箔包裹屏蔽，若采用铠装电缆，在其易磨损段，再加一层铠装。

另外，变频器所在房间，条件允许时可以加装抗辐射干扰滤波器。

笔者认为采用emi滤波器最佳，如图2所示，这样就可以消除或减弱高次谐波以传到或感应耦合等方式形成谐波污染，同时也能使外界干扰不能进入变频器中。

（2）对隔离措施的改进建议
隔离措施是指：将电路中的干扰源和容易受到干扰的设备及元件分隔开，让他们之间不存在电的联系。

具体做法为：
1）把交流电抗器安装在变频器输入侧外面，增加整流阻抗，使谐电波重叠角增大，谐电波被重叠消除，从而抑制住了谐电波成分，可降低谐波30%～50%左右。

笔者建议，将电抗器安装在与变频器零距离处为佳，信号线与电源线分线路，电抗器绝缘性能必须良好。

2）加强信号线路中导线及开关等设备的绝缘性能，杜绝漏电发生，防止谐电波从漏电的地方进入信号线路之中。

3）将信号线分类型进行分隔。

由抗噪声能力来安装在不同的电缆槽、管及桥梁中。

笔者建议，信号线在控制台或控制屏处，接示波器，以方便观察波形是否畸变。

（3）对接地措施的建议
接地措施除了保护人身安全及电气设备的安全，还可以非常有效地抑制谐波对一些电气设备的干扰，也降低一些电气设备对外界的干扰。

具体来讲，变频器及它的控制设备，以及相关的仪表设备都应进行很可靠的工作接地，一般分为信号接地，电源接地，模拟接地等几种形式。

这样仪表设备的测量精度以及控制稳定性就会大大提高，谐波对它们的干扰就会被消除了不少。

笔者建议，各种接地线在没到达接地汇流排时，之间要高度绝缘，并加以金属网罩屏蔽或铠装，以消除接地干扰。

（4）对滤波措施的建议
滤波器可以控制变频器谐波的电磁噪声，也可以抵消外界各种天线电磁波对变频器的干扰及瞬间冲击，甚至是线路电涌对变频器的干扰。

由使用的位置可以把滤波器分为两个类型：输入滤波器和输出滤波器。

（5）对反谐振措施的改进及建议
谐波会对电力电容器带来很大的危害。

电力电容器对电网无功补偿时，也会在电网中形成谐波自谐振，这种自谐振会放大谐波，危机电力电容器的安全，自谐振谐波在5次谐波与7次谐波之间。

所以，这些电力电容器应采用调谐滤波电容器，这种电容器由电容器和电抗器串联组成，能除去自谐振形成的谐波。

目前，常用含6%
电抗器的调谐滤波电容器来消除5次谐波，用含14%的电抗器的调谐滤波电容器来消除7次谐波。

一般可以消除30%左右的低次谐波，同时不会放大谐波。

笔者建议，将文献中所讲的含60%的电抗器与
含14%电抗器的调谐滤波电容器配合使用，以达到较宽范围地消除谐波的目的。

4 结束语
综上所述，可以清楚地了解谐波的危害及产生的原因，在具体治理和抑制谐波上需要把谐波源的抑制技术和抗谐波干扰的技术结合起来，形成治理谐波污染的系统工程技术体系，这就需要人们把已使用的谐波治理措施认真分析研究，加以改进，最终将变频器产生的谐波控制在最小范围内，达到科学合理用电、抑制电网污染、节约能源、提高电源质量的目的。

参考文献：
[1] 冯伟明.探讨变频器产生的谐波危害及治理措施[j].广东科技.2009年第02期
[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。