变频器谐波危害措施（共3篇）
变频器谐波危害措施 篇1
0 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、维护简单而在工业中得到了广泛应用,但是在人们享受它便捷的同时,变频器在实际使用过程中也经常遇到谐波干扰问题,影响了变频器的正常工作,因此变频器谐波干扰受到越来越多技术人员的关注。
1 变频器的工作原理及其谐波的产生
变频器的主电路一般由“交-直-交”组成,外部输入380 V/50 Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号,经滤波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信号。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,其中的高次谐波将干扰输入供电系统。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 kHz～3 kHz,而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15 kHz。同样,输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波,而高次谐波电流对负载直接干扰;另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射,干扰邻近电气设备。
2 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。谐波电流和谐波电压的出现使电力系统和用电设备所处的环境恶化,造成严重危害,其主要表现如下:
(1)谐波对供电线路产生附加谐波损耗,谐波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,当大量的三次谐波电流流过中性线时,会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短、损坏甚至发生火灾。
(2)谐波影响各种电气设备的正常工作。对发电机,会产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声;对断路器,当电流波形过零点时,由于谐波的存在可能造成高的电流变化率,这将使开断困难,并且延长故障电流的切除时间。
(3) 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;谐波对其他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,降低通信质量,重者丢失信息,使通信系统无法正常工作。
3 谐波的抑制
抑制谐波的总体思路有3个:①安装谐波补偿装置来补偿谐波;②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;③在电网系统中采用适当的措施来抑制谐波。具体方法有以下几种:
(1)变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立,或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器,切断谐波电流。
(2) 在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器或安装谐波滤波器,滤波器的组成必须是LC型,吸收谐波和增大电源或负载的阻抗,达到抑制谐波的目的。
(3)电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆,并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设,避免辐射干扰。
(4) 信号线采用屏蔽线,且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离(至少20 cm以上),切断辐射干扰。
(5) 变频器使用专用接地线,且用粗短线接地,邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开,使用短线,这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。
4 应用实例
(1)启动变频器后,电机不动作。分析如下:变频器由外部直流信号给定运转频率,4 mA～20 mA的直流信号由变送器送入,看显示板频率显示为0.00,用电流表测量变送器的输出端发现无输出。解决办法是:在变送器的输出端子并上一电容。再启动,设备恢复正常,说明信号源受到干扰。
(2)某变频切换控制系统,变频器启动运行正常,而邻近液位计读数偏高,一次表输入4 mA时,液位显示不是下限值;液位未到设定上限值时,液位计却显示上限,致使变频器接收停机指令,迫使变频器停止运行。这显然是变频器的高次谐波干扰液位计,干扰传播途径是液位计的电源回路或信号线。解决办法:将液位计的供电电源取自另一供电变压器,谐波干扰减弱,再将信号线穿入钢管敷设,并与变频器主回路线隔开一定距离。经这样处理后,谐波干扰基本抑制,液位计工作恢复正常。
(3)某车间同一区域有几台设备,有变频调速的,有直流调速的,当启动变频调速设备后,相邻直流调速设备速度不稳,时快时慢。这是由于输入侧高次谐波引起的,在输入侧加电抗器后即恢复正常。
(4) 某车间4#行车大修后,将SVI晶闸管整流控制器中无触点可逆直流开关的执行元件由晶闸管换成了IGBT模块,控制原理如图1所示。该无触点程控整流控制器的控制电路采用西门子PLC模块,系统可靠性得到进一步提升。然而投入使用后电磁铁吸铁盘线圈过电压对地击穿,线圈经常被烧坏。经检验这是由于未采取谐波抑制措施而造成的,我们决定采用增加输出滤波器来抑制畸形谐波,同时根据现场生产经验,调整起重电磁铁无触点整流控制器参数,最终解决了电磁铁线圈经常过电压对地击穿的问题。
5 结论
本文从谐波的概念入手,分析变频器谐波产生的原因及其危害,在此基础上提出了抑制谐波的常用方法作为参考。实践表明,本文提出的抑制方案为变频器在工业自动化应用系统中稳定、可靠、安全运行提供了保障,满足了工业变频器日常运行的需要。
参考文献
[1]黄俊,王兆安.电力电子变流技术[M].北京:机械工业出版社,2003.
[2]马小亮.大功率交-直-交变频调速及矢量控制技术[M].北京:机械工业出版社,1998.
[3]刘介才.工厂供电[M].北京:机械工业出版社,1996.
变频器谐波危害措施 篇2
作者：华腾开元 发表时间：2010-2-3 17:11:29 阅读：次
一、变频电源应用中的问题
在工业调速传动领域中，与传统的机械调速相比，用变频电源调速有诸多优点，应用非常广泛，但由于变频电源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，变频电源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，以变频电源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。供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics）或分数谐波。谐波实际上是一种 干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般 为2≤n≤40。
二、谐波的产生过程
向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，例如带有功率电子器件的变流设备，交流控制器和电弧炉、感应炉、荧光灯、变压器等。
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。
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与奇次谐波。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，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。我国工业企业也越来越多的使用产生谐波的电气设备，例如晶闸管电路供电的直流提升机、交-交变频装置、轧钢机直流传动装置、晶闸管串级调速的风机水泵和冶炼电弧炉等。这些设备取用的电流是非正弦形的，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与电网参数无关，故可视为恒流源。各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形式有关，称为该电路的特征谐波。除特征谐波外，在三相电压不平衡，触发脉冲不对称或非稳定工作状态下，上述电路还会产生非特征谐波。进行谐波分析和计算最有意义的是特征谐波，如果5，7，11，13次等。如直流侧电流波纹较大，则5次谐波幅值将增大，其余各次谐波幅值将减少。当电网接有多个谐波源时，由于各谐波源的同次谐波电流分量的相位不同，其和将小于各分量的算术和。变压器激磁电流中含有3，5，7等各次谐波分量。由于变压器的原副边绕组中总有一组为角形接法，为3次谐波提供了通路，故3次谐波电流不流入电网。但当各相
激磁电流不平衡时，可使3次谐波的残余分量（最多可达20%）进入电网。
三、谐波危害
对于电力系统来说，电力谐波的危害主要表现有以下几方面：（1）增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设备的利用率和经济效益：（2）电力谐波对输电线路的影响：
谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。
（3）电力谐波对变压器的影响：
谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损。对带有非对称性负荷的变压器而言，会大大增加励磁电流的谐波分量。（4）电力谐波对电力电容器的影响：
含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电容器过负荷甚至爆炸，同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使故障加剧。（5）影响继电保护和自动装置的工作可靠性：
特别对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁电力系统的安全运行。（6）对通讯系统工作产生干扰：
电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，甚至在极端的情况下，还会威胁着通信设备和人员的安全。（7）对用电设备的影响：
电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件温度出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，严重甚至损害机器。
此外，电力谐波还会对测量和计量仪器的指示不准确及整流装置等产生不良影响，它已经成为当前电力系统中影响电能质量的大公害。
四、谐波治理
治理谐波问题，抑制辐射干扰和供电系统干扰，可采取屏蔽、隔离、接地及滤波等技术手段。治理谐波的主要措施有：加大系统短路容量；提高供电电压等级；增加变流装置的脉动数；改善系统的运行方式，设置交流滤波器等都能减小系统中的谐波成分。交流滤波器又分为无源滤波器和有源滤波器两种。有源滤波器是一种向系统注入补偿谐波电流，以抵消非线性负荷所产生的谐波电流的能动式滤波装置。它能
对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，且补偿特性不受系统阻抗影响。其结构相对复杂，运行损耗较大，设备造价高；在补偿谐波的同时，也会注入新的谐波。无源滤波器(又称LC滤波器)是利用LC谐振原理，人为地造成一条串联谐振支路，为欲滤除的主要谐波提供阻抗极低的通道，使之不注入电网。LC滤波器结构简单，吸收谐波效果明显；但仅对固有频率的谐波有较好的补偿效果；且补偿特性受电网阻抗的影响很大，在特定频率下，电网阻抗和LC滤波器之间可能会发生并联谐振或者串联谐振。
五、综述
浅谈变频器的谐波危害 篇3
在工业调速传动领域中, 与传统的机械调速相比, 用变频器调速有诸多优点, 顾其应用非常广泛, 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。
2 谐波产生的过程
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。
谐波频率是基波频率的整倍数, 根据法国数学家傅立叶分析原理证明, 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与奇次性。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, 奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。
3 谐波危害
对于电力系统来说, 电力谐波的危害主要表现有以下几方面:
3.1 增加输、供和用电设备的额外附加损耗, 使设备的温度过热, 降低设备的利用率和经济效益
3.1.1 电力谐波对输电线路的影响:
谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时, 对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。
3.1.2 电力谐波对变压器的影响:
谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度, 谐波电流的存在增加了铜损。对带有非对称性负荷的变压器而言, 会大大增加励磁电流的谐波分量。
3.1.3 电力谐波对电力电容器的影响:
含有电力谐波的电压加在电容器两端时, 由于电容器对电力谐波阻抗很小, 谐波电流叠加在电容器的基波上, 使电容器电流变大, 温度升高, 寿命缩短, 引起电容器过负荷甚至爆炸, 同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振, 使故障加剧。
3.2 影响继电保护和自动装置的工作可靠性
特别对于电磁式继电器来说, 电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动, 使其动作失去选择性, 可靠性降低, 容易造成系统事故, 严重威胁电力系统的安全运行。
3.3 对用电设备的影响
电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变, 画面亮度发生波动变化, 并使机内的元件温度出现过热, 使计算机及数据处理系统出现错误, 严重甚至损害机器。
此外, 电力谐波还会对测量和计量仪器的指示不准确及整流装置等产生不良影响, 它已经成为当前电力系统中影响电能质量的大公害。
4 谐波的治理措施
治理谐波问题, 抑制辐射干扰和供电系统干扰, 可采取屏蔽、隔离、接地及滤波等技术手段。
4.1 使用无源滤波器或有源滤波器
使用无源滤波器其主要是改变在特殊频率下电源的阻抗, 适用于稳定、不改变的系统。而使用有源滤波器主要是用于补偿非线性负载。LC滤波器是传统的无源谐波抑制装置, 它由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成, 与谐波源并联, 除具有滤波作用外, 还有无功补偿的作用。
4.2 增加变压器的容量, 减少回路的阻抗及切断传输线路法
由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降, 而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其它负载, 引起谐波电流在其上流过, 因此, 减少谐波危害的措施也可从加大电缆截面积, 减少回路的阻抗方式来实现。目前, 国内较多采用提高变压器容量, 增大电缆截面积, 特别是加大中性线电缆截面, 以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件等办法, 但此种方式不能从根本上消除谐波, 反而降低了保护特性与功能, 又加大了投资, 增加供电系统的隐患。
4.3 使用无谐波污染的绿色变频器
绿色变频器的品质标准是:输入和输出电流都是正弦波, 输入功率因数可控, 带任何负载时都能使功率因数为1, 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, 它能很好的抑制谐波, 同时可以保护整流桥不受电源电压瞬间尖波的影响, 实践表明, 不带电抗器的谐波电流明显高于带电抗器产生的谐波电流。为了减少谐波污染造成的干扰, 可在变频器的输出回路安装噪声滤波器。并且在变频器允许的情况下, 降低变频器的载波频率。另外, 在大功率变频器中, 通常使用12脉冲或18脉冲整流, 这样在电源中, 通过消除最低次谐波来减少谐波含量。例如12脉冲, 最低的谐波是11次、13次、23次、25次谐波。依次类推, 对于18脉冲, 最低的谐波是17次和19次谐波。
5 结论
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。
摘要：本文介绍了变频器在工业调速传动领域中应用所产生的谐波危害及解决措施, 重点包括产生谐波的原因、谐波的危害以及解决措施等。
关键词：变频器谐波危害措施
参考文献
[1]黄慧敏.通用变频器应用中的问题及对策, 《中国水泥》, 2004, (12) [1]黄慧敏.通用变频器应用中的问题及对策, 《中国水泥》, 2004, (12)
[2]田长虹.变频器抗干扰措施, 《大众用电》, 2005, (1) [2]田长虹.变频器抗干扰措施, 《大众用电》, 2005, (1)