变频器电磁谐波污染及抑制措施

王鸿博

摘要：随着我国电力行业的高新技术应用比例不断提升，变频器驱动的电极系统因具有操作便捷、节能突出、便于维护和网络化等优势，在现代电气系统中得到了广泛的应用。变频器电磁谐波污染是变频器存在的主要影响要素，在非线性、冲击性用电作业方式下，容易导致变频器驱动的电动机出现运行异常，造成整个电网的不稳定和不安全状态。本文中笔者通过分析变频器谐波产生的机理以及对电气设备的影响，提出存在的电动机危害表现，并进一步提出相应地解决方法，以供广大技术人员参考借鉴。

关键词：高次谐波、滤波器的使用、变频器设备处理

现代工业生产中变频器的重要性不言而喻，然而，变频器由于要进行超大功率二极管整流、大功率晶体管逆换，会使得其在电路输出输入回路上产生高次率谐波电流，这对供电系统、电流负载以及邻近的电气设施都会产生干扰，特别是在抗干扰方面要求很高的高精度仪器、计算机控制系统等大型设备中的谐波干扰问题更应重视。交流传动和控制技术是我国目前发展最好也是最快的技术之一，在各种电动机调速方法当中，变频调速传动系统因其新颖性而倍受重视。此系统拥有功率数高、电流起伏波动小、调速范围广、输出谐波小等特点，且已在各个行业广泛运用，变频器由于其具有的节能、智能、高效等特点，已经从我国众多市场中脱颖而出，成为了增强能源产出率、控制力、改良机械设备的性能的首要选择。

1.变频器谐波产生机理

变频器谐波的产生原理是由于其电源的特殊性，电源侧面具有整体回流电路，能把产生的非线性高词谐波进行降低和调控。输入端谐波产生原理中变频器的作用是主电路的一交一直结构。外部输入电压为395V/55Hz的工频电源经三项电路三桥率不可控整流后形成直流电压，再经过电容滤波和大功率晶体管开关元件改变为频率可控的交流电压。在整流回路中，输入电流的波形多为不规则矩形波，波形根据博立叶分级分解为基础波和各次谐波，脉冲整流设备产生的谐波次数多为6n+2次高次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统，n次高次谐波约为基波电流的1/n。输出端谐波产生机理在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形。对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2～3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。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.变频器产生高次谐波对电网中电气设备的影响

通常情况下，变频器对于容量大的电力系统的影响并不显著，但对系统容量较小的电力系统，谐波的干扰能力却不可忽视，在对电动汽产生负面干扰的同时，对公用电网也产生不小的污染，客观条件下对公用电网的影响有以下几点：

（1）谐波对公用电网的影响主要是元件的影响，一方面，它增加了其谐波损耗率，以至于发电、输电、供电使用设备的使用率都在降低，另一方面，三次谐波经流超过中线时会使线路过热，当超过线路材料耐热临界点之后容易导致火灾事故的发生。

（2）谐波对各种电气元件都有危害。谐波污染对电机各种元件均有损耗有附加值作用，并且会产生机械振动、噪音过大、电流过高等情况，持续的谐波污染会降低设备元件的物理性质，进而导致电容器、电缆设备线路系统过热、绝缘度下降，电器元件的使用寿命缩短。

（3）谐波会使公用电网局部出现并联振动或串联谐动，使得谐波波形偏大，从而使危害程度大大增加，还会发生重度污染。

（4）谐波还会对通讯设备产生影响。现代工业生产中设备体系的规模越来越大，基于嵌入式技术提高可控性，其中离不开通讯系统的功能，包括系统检测、指令触发等，而谐波污染会导致通讯质量下降、信息缺失甚至消失，造成通讯工具瘫痪无法工作。

3.变频器产生高次谐波对电网中电气设备的危害具体表现为：

第一，变压器电流和电压谐波将增加变压器铜损和铁损，结果使变压器温度上升，影响绝缘能力，造成容量裕度减小。谐波还能产生共振及噪声。

第二，感应电动机电流和电压谐波同样使电动机铜损和铁损增加、温度升高。同时，谐波电流会改变电磁转距，产生振动力矩，使电动机发生周期性转速变动，影响输出效率，并发出噪声。电力电容器当高次谐波产生时由于频率增大，电容器阻抗瞬间减小，涌入大量电流，因而导致过热、甚至损坏电容器，还有可能发生共振，产生振动和噪声。

第三，开关设备由于谐波电流使开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率，使暂态恢复峰值电压增大，破坏绝缘，还会引起开关跳脱、引起误动作。

第四，谐波污染出现在保护电气电流中，会导致额外的转矩产生，由此改变电动机设备相关元件的动作特性。例如，连接电器特性改变之后会造成错误动作，甚至影响操作特性，严重的还会烧毁电气系统的线圈。

第五，变频器电磁谐波在一定环境下转化为物理性磁力，导致计量仪表发生额外转矩，感应盘的自我调节能力失效之后，计量仪的精度会大幅度降低、引起误差，严重的情况下也会破坏仪表内部结构。

第六，电力电子设备电力电子设备通常靠精确电源零交叉原理或电压波形的形态来控制和操作，若电压有谐波成分时，零交叉移动、波形改变、以致造成许多误动作。

第七，高次谐波中所蕴含的辐射能量会作用于工业环境中的电子设备，如电脑、通讯设备等，直接影响系统通信、显示设备音响设备以及载波遥控设备等，一旦产生干扰，会导致通信中断产生杂讯，甚至发生误动作，另外还会对照明设备产生影响。

4.抑制谐波干扰的方法

变频器产生的高次谐波通过传导、电磁辐射和感应耦合三种方式对电源及邻近用电设备产生谐波污染。传导是指高次谐波按着各自的阻抗分流到电源系统和并联的负载，对并联的电气设备产生干扰；感应耦合是指在传导的过程中，与变频器输出线平行敷设的导线又会产生电磁耦合形成感应干扰；电磁辐射是指变频器输出端的高次谐波还会产生辐射作用，对邻近的无线电及电子设备产生干扰。解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离;解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽：解决耦合干扰就是合理布置干扰源和被干扰线路的距离、走向，避免耦合产生。总的原则是抑制和切断干扰源、切断干扰对系统的耦合通道和降低对干扰信号的敏感性。

5.变频器高次谐波污染的解决方法

（1）变频器交流输入电气设备侧面配置的交流电气抗性能力必须增强，降低阻碍率，扩大整体电流，降低高次谐波出现频率。

（2）电流回路测定中，并联电路使用交流滤波器可以有效的降低自变频率的高次谐波出现概率。

（3）变频器设备放置地点储存有大量不同型号的变频器，需要配置其专用的变压器，通过不同的输入输出功率进行错位调节或抑制的方法降低高次谐波出现率。对比，可以采用更高频率的开关元件、变频器输出端可以加装滤波器，用随机四分法进行频率转换。

6.总结

总地来说，随着现代工业生产率的不断提高，局域空间内变频器电动机的需要也越强烈，使得变频器的使用范围越来越广，变频器高次谐波带来的电磁波干扰和电磁污染越趋严重。如何改变这一现状，解决好变频器系统的副作用谐波干扰就成为了工作重点，推广的同时也必须注意防护和使用规范性。结合以上分析，笔者从降低、隔离、淡化、接地四个层面提出对谐波污染进行治理，增强变频器工作效率和工业生产的可靠性安全性。

参考文献

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