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星◎◎＠年第固期总第 固母期 变频器谐波问题的探讨 变频器谐波问题的探讨 董存武李宪红刘欢峰（河北省邯郸市邯钢技术中心，０５６０００） ［摘要］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，提出了 抑制谐波的常用方法，提出了可供参考的解决方案。 关键词变频器 谐波 电网 滤波器 功率因数抑制 ３变频器谐波的产生机理 变频器有交一直一交变频器和交一交变频器之分。 交一直一交变频器将３８０ Ｖ／５０ Ｈｚ工频电源通过整流器 １ 引言 采用变频器驱动的电动机系统，因其节能效果显 著、调节方便、维护简单、可实现网络化等特点，应用越 来越广泛。但变频器中大功率的二极管整流、大功率 晶体管逆变会使输入输出回路产生电流高次谐波，对 负载及其临近设备产生干扰，输入端的谐波还会通过 输入电源线对公用电网产生影响。 变成直流．然后再经过逆变器将直流变换成可控频率 的交流。而交一交变频器是将工频电流直接变换成可 控频率的交流，没有中间的直流环节。它的每相都是 一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆电路。正反两 ２谐波的基本概念 谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当 电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形 成非正弦电流．从而产生谐波。 组按一定周期相互切换，在负荷上就获得了交变输出 的电压Ｕ０，Ｕ０的幅值决定于各整流装置的控制角，频 率决定于两组整流装置的切换频率。目前，应用较多 的还是交一直一交变频器。 谐波频率是基波频率的整倍数．根据法国数学家 傅立叶（Ｍ．Ｆｏｕｒｉｅｒ）分析原理证明，任何重复的波形都 可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐 波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不 同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次谐波与 奇次谐波，第３、５，７次编号的为奇次谐波，而２、４、６、８ 交一直一交变频器有三种不同的结构方式： （１）用可控整流器变压，用逆变器变频，调压和调频 分别是在两个环节上进行．两者要在控制电路上协调 配合： （２）用可控整流器整流斩波器变压，用逆变器变频， 这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽调压； （３） 用可控整流器整流，用ＰＷＭ逆变器变频，这种 等为偶次谐波，如基波为５０ Ｈｚ时，２次谐波为１００ Ｈｚ，３次谐波则是１５０ Ｈｚ。一般地讲，奇次谐波引起的 危害比偶次谐波更多更大。 在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已 经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载， 出现的谐波电流是６ ｎ±１次谐波，例如５、７、１１、１３、 １７、ｌ９等，变频器主要产生５、７次谐波。谐波定义示意 图如图１所示。 波 波 变频器只有采用可控关断的全控式器件（如ＩＧＢＴ 等），输出波形才会非常逼近正弦波。 无论哪一种变频器．都大量使用了晶闸管等非线 性电力电子元件，不管采用哪种整流方式，变频器从 电网中吸取能量的方式都不是连续的正弦波，而是以 脉动的断续方式向电网索取电流。这种脉动电流和电 网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电 压上，使电压发生畸变。经傅里叶级数分析可知，这种 非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大 于基波频率的谐波组成。 ４谐波的危害 一般来讲。变频器对容量相对较大的电力系统影 三次谐波 ＼ ／ 响不很明显，而对容量小的系统，谐波产生的干扰就 不可忽视．它对公用电网是一种污染。谐波污染对电 力系统的危害是严重的，主要表现在以下几方面。 图１谐波定义示意图 ｔｊ 瓣ｍｃｏｎｒ．１ ｌ— 硼穷与应用－．．—— ＿ 囊 ｍ 维普资讯 http://www.cqvip.com
淬 誊 『Ｊ ｌＮ ｑＩｌＥＴＡＬＬＵＲＧＹ ４．１谐波对供电线路产生了附加损耗 蜜＠￣－ｉｆ－ｇ－，零期总第司 毋期 朋 ｊ１０ ｕ ’ｙ －过了“电力系统谐波管理规定”和“ＧＢ厂Ｉ’一１４５４９—９３标 由于集肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增 加而提高，造成电能的浪费。由于中性线正常时流过 电流很小，故其导线较细，当大量的ｊ次谐波流过时， 会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏。 准”，用以供电系统及用电设备的谐波污染。 抑制谐波的总体思路有三个：其一是装置谐波补 偿装置来补偿谐波；其二是对电力系统装置本身进行 改造，使其不产生谐波，且功率因数可控为１；其三是 ４．２谐波影响各种电气设备的正常工作 对发电机的旋转电机产生附加功率损耗、发热、机 械振动和噪声。对断路器，当电流波形过零点时，由于 在电网系统中采用适当的措施来抑制谐波。 ５．１抑制谐波的方法 ． ５．１．１用适当的电抗器变频器的输入侧功率因数取 谐波的存在可能造成高的ｄＶｄｔ，这将使开断困难，并且 延长故障电流的切除时间。 ４．３谐波使电网中的电容器产生谐振 决于装置内部的ＡＣ／ＤＣ变换电路系统，可利用并联功 率因数矫正ＤＣ电抗器，电源侧串联ＡＣ电抗器的方 法，使进线电流的ＴＨＤＶ大约降低３０％一５０％．是不加 电抗器谐波电流的一半左右 工频下．系统装设的各种用途的电容器比系统中 的感抗要大得多，不会产生谐振。但谐波频率时，感抗 值成倍增加而容抗值成倍减少，这就有可能出现谐 振。谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备被烧毁。 ４．４引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振 使谐波放大，这就使上述危害大大增加，甚至引起 严重的责任事故。 ５．１．２ 装设有源电力滤波器除传统的无源滤波器 ＬＣ目前还在应用外，当前抑制谐波的一个重要趋势是 采用有源电力滤波器，它串联或是并联于主电路中， 实时从补偿对象中检测出谐波电流。由补偿装置产生 一个与该谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流， 从而使电网电流只含基波电流。这种滤波器能对频率 ４．５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 谐波对其它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 和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿。其特性不受系统 的影响，无喈波放大的危险，因而倍受关注，在其他国 家已获得广泛应用。 ５．１．３ 采用多相脉冲整流在条件允许或是要求谐 波在比较小的情况下，可采用多相整流的方法。 量，重者丢失信息，使通信系统无法正常工作。影响电 子设备工作精度，使精密机械加工的产品质量降低； 设备寿命缩短，家用电器工况变坏等。 在邯钢酸洗镀锌厂的储酸罐系统中，当变频器启 动运行正常．而邻近的液位计读数偏高。一次表输入４ ｍＡ时，液位显示不是下限植；液位未到设定上限值 时，液位计却显示上限，迫使变频器停止运行。而恰好 在变频器停止时．液位计显示液位符合实际液位，这 显然是由于变频器的高次谐波干扰液位计，干扰传播 １２相脉冲整流的ＴＨＤＶ大约为１０％一１５％，１８相的为 ３％～８％，完全满足国际标准的要求。其缺点是需要专 用变压器，不利于设备的改造，成本费用较高。 ５．１．４ 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块或组件，这些滤波模块具 有较强的抗干扰能力，同时还具有防止电器本身的干 扰传导给电源，有些还兼有吸收尖峰电压的功能，对 各类用电设备大有益处。 途径和液位计的电源回路或信号线所致。在将液位计 的供电电源取自另一供电变压器，并将信号线穿人钢 管敷设，同时与变频器主回路线隔开一定距离后，液 位计工作恢复正常。 ５谐波的抑制 变频器在给人们带来极大的方便、高效率和巨大 的经济效益的同时。对电网注入了大量的谐波和无用 ５．１．５ 开发新型的变流器大容量的变流器减少谐 波的主要方法是采用多重化技术。几千瓦到几百千瓦 的高功率因数整流器主要采用ＰＷＭ逆变器可构成四 象限交流调速变频器，这种变频器不但输出电压、电 流为正弦波，而且输入电流也为正弦波，且功率因数 为１，还可以实现能量的双向传递，代表了这一技术的 发展方向。 ５．１．６ 选用Ｄ—ＹＮ１１接线组别的三相配电变压器 三相变压器中把高压侧绕组接成三角形，低压绕组为 星型且中性点和“１１”连接以保证相电动势接近于正 弦形，从而避免了相电动势波形畸变的影响。此时，由 功，使供电质量不断恶化。另一方面，随着以计算机为 代表的大量敏感设备的普及应用，人们对公用电网的 供电质量要求越来越高，许多国家和地区已经制定了 各自的谐波标准。我国也分别于１９８４年和１９９３年通 ｔｊ ＠ｗｗ‘ｔｊｙｊｒ ｊ ｅｏ ｍｏｍ．——・硼奔与应用 一——＇硼Ｈ 心用Ｐ一 维普资讯 http://www.cqvip.com
星◎◎⑤年第固期总第 固毋期 螺旋板换热器在粗苯油换热的应用 ［１】谭天恩等．化工原理【Ｍ】．北京：化学＿Ｔ业出版社，１９９０＋６． 【２】炼焦化学理化常数编写组．炼焦化学理化常数【Ｍ１．北京：冶金工 业出版社，１９９３． 极大的节约了管式炉的煤气用量，减少了贫油冷却器 的冷却水用量，而且使生产更为稳定，提高了粗苯生 产的开工率和粗苯产量，取得了非常明显的经济效 益。 作者简介 （收稿２００６—３—３１责编苗龙军） 王建坤，男，１９８９年毕业于哈尔滨船舶工程学院动力工程系，工 程师。现任天津天铁炼焦化工有限公司回收分厂设备副厂长．负责 参考文献 设备维修改造及管理工作。 （上接第３２页） 地区低压电网供电的２２０ Ｖ负荷，线路电流不会超过 ３０ Ａ，可用２２０ Ｖ单相供电，否则应以２２０／３８０ Ｖ三相 四线供电。 方法将成为一个非常重要的课题。 综上所述，可以清楚地了解谐波产生的原因．在 具体治理上可采用无源滤波器、有源滤波器，减少回 路阻抗，切断谐波传输路径及开发使用无谐波污染的 ５．２减少或削弱变频器谐波的方法 ５．２．１ 在变频器与电动机之间增加交流电抗器，以减 绿色变频器等方法，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。提高电源 质量 （收稿２００６—２—２Ｏ责编苗龙军） 少传输过程中的电磁辐射。 ５．２．２ 使用具有间隔层的变压器，可以将绝大部分的 传导干扰隔离在变压器之前。 ５．２－３ 采用具有一定消除高频干扰的双积分Ａ／Ｄ转 换器。 ５．２．４ 信号线与动力线分开配线，尽量使用双绞线降 低共膜干扰。 ５．２．５ 选用具有开关电源的仪表等低压电器。 参考文献 【１】韩安荣．通用变频器及其应用【Ｍ】＋北京：机械工业出版社，２００３．８ 第２版．３６６—４２２ ５．２．６ 在使用单片机、ＰＬＣ等为核心的控制系统中． 在编制软件的时候适当增加对检测信号和输出控制 部分的软件滤波，以增加系统自身的抗干扰能力。 ６结论 变频器的使用给人们带来了极大的方便和巨大 的经济效益，它必将更为广泛地使用。但是由于它特 有的工作方式，给公用电网带来了一定的破坏，成为 【２】三菱变频调速器ＦＲ—Ａ５００使用手册 【３】三菱变频调速器ＦＲ—Ｆ５００使用手册 【４】西门子变频器使用手册 作者简介 董存武，男，工程师。２００１年毕业于包头钢铁学院电器自动化专 业，毕业后分配到邯钢酸洗镀锌厂。２００５年调入邯钢技术中心新区 炼钢组。至今从事电气自动化方面的工作。 电网主要污染源之一。所以，分析和研究抑制谐波的 欢迎点击 天津冶金网ｗｗｗｔｊｙｊ．ｃｏｍ 天津冶金期干ＩＪ网ｗｗｗ．ｔｊｙｊｑｋ．ｃｏｍ ・ｔｊ ｍ ＿＿—一．．１研奔与应用 一 。 ｗ ｍ
