PWM变频器带来的新问题及其解决措施文档格式.docx

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1谐波产生机理

1.1不控整流式PWM变频器整流单元谐波产生机理

变频器的输入电路是三相交流电源经全波整流后向滤波电容充电的电路，其结构框图如图所示。

假如不加交流进线电抗器ACL和直流电抗器DCL，只有当电源的瞬时线电压U2l大于电容器两端的直流电压Ud时，整流二极管才导通，输入电流i总是出现在线电压的峰值附近，呈驼峰形状，这种电路的输入电流波形随阻抗的不同相差很大。

在电源阻抗很小的情况下，其波形为尖窄驼峰形。

反之，当电源阻抗比较大时，其波形为低矮宽厚驼峰形。

这种驼峰形电流的谐波成分很高，而且主要是6N

1次谐波。

图1变频器结构框图

1.2PWM变频器逆变单元谐波产生机理

变频器大多采用SPWM控制方式，目的在于使其输出电流波形接近正弦波。

SPWM原理如图所示。

SPWM逆变器中作为换流器件的电力半导体器件始终工作于开关状态，逆变器产生的电流和电压波形均非正弦波形，其输出电压和输出电流总是含有谐波分量。

变频器中的开关器件以载波频率高速通断，造成电压急剧变化，在变频器的导电部分和以大地为基准的散热片和框体之间存在着分散电容，高频噪声电流在高速开关中传播，通过变频器、电缆和电动机的杂散电容流入大地。

噪声电流与杂散电容和开关管的开关速度有关，而且由于每次开关器件开关都有噪声电流流过，故其还与载波频率有关。

这个高频电流又通过变频器的输入端和电源线传播至电源，成为传导噪声。

另外逆变器开关器件的高速切换将造成变频器主电路和电动机中的电流突变，而这种电流突变又将产生高电压，并将高频电磁波辐射到空中，通过空中的电磁波和磁场直接传播，对变频器附近的无线电接收装置带来不良影响。

图2SPWM原理

2谐波的危害

由电力电子器件构成的PWM变频器既有结构紧凑、体积小、动态响应快、功率损耗小等优点，然而，PWM变频器的输出电压为等幅不等宽的脉冲序列，该脉冲序列可分解为基波和一系列谐波分量。

基波产生恒定的电磁转矩，而谐波分量则带来一些负面效应。

2.1转矩脉动

为减少谐波并简化控制，一般使PWM波正负半波镜对称和1/4周期对称，则三相对称的电压PWM波可用傅氏级数表示为

式中，Ukm为k次谐波电压幅值，ω1基波角频率。

当谐波次数k是3的整数倍时，谐波电压为零序分量，不产生该次谐波电流。

因此，三相电流可表示为

其中，谐波阻抗

，谐波功率因数角

，

为非负整数，取“+”时，为正序分量，产生正向旋转磁场，如7、13次谐波；

取“

”时，为负序分量，产生逆向旋转磁场，如5、11次谐波。

考虑到告辞高次谐波的阻抗比较大，故高次谐波电压主要降落在谐波阻抗上，因此，三相感应电动势近似为正弦波，忽略基波阻抗压降，其幅值约等于基波电压幅值U，由单相等效电路图得

图3单相等效电路图

基波感应电动势与k次谐波电流传输的瞬时功率为

k次谐波电流产生的电磁转矩为

K=5、7、11、13谐波电流产生的电磁转矩为

综上所述，5次和7次谐波电流产生6次的脉动转矩，11次和13次谐波电流产生12次的脉动转矩。

在PWM控制时，应抑制这些谐波分量。

当k继续增大时，谐波电流较小，脉动转矩不大，可忽略不计。

2.2电压变化率

当电动机由三相平衡电压供电时，线电压的变化率为

式中，

为线电压幅值，线电压变化率最大值为

。

采用PWM方式供电时，线电压的跳变在瞬间完成，幅值为

，几乎在瞬间完成。

因此，

很大。

在电动机绕组的匝间和轴间产生较大的漏电流，不利于电动机的正常运行。

采用多重化技术，可有效降低电压变化率，但变频器主回路和控制将复杂得多。

过大的电压变化率将产生很大的电磁辐射，对其他仪器设备造成电磁干扰。

2.3能量回馈与泵升电压

采用不可控整流的交-直-交变频器，能量不能从直流侧回馈至电网，交流电动机工作在发电制动状态时，能量从电动机侧回馈至直流侧，导致直流电压上升，称为泵升电压。

电动机储存的动能较大、制动时间较短或电动机长时间工作在发电制动状态时，泵升电压很高，严重时将损坏变频器。

为了限制泵升电压，可采取下述两种方法：

1）在直流侧并入一个制动电阻，当泵升电压达到一定值时，开通与制动电阻相串联的功率器件，通过制动电阻释放电能，以降低泵升电压。

图4带制动电阻的交-直-交变频器主回路

2）在直流侧并入一组晶闸管有源逆变器或采用PWM可控整流，当泵升电压升高时，将能量回馈至电网，以限制泵升电压。

图5直流侧并晶闸管有源逆变器的交-直-交变频器主回路

图6PWM可控整流的交-直-交变频器主回路

2.4谐波对电网的影响

由于直流侧存在较大的滤波电容，只有当输入交流线电压幅值大于电容电压时，才有充电电流流通，交流电压低于电容电压时，电流便终止。

电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。

图7变频器输入侧的相电流波形

谐波电流一方面在输电线路上产生谐波电压降，另一方面，增加输电线路上的电流有效值，从而引起附加的输电损耗。

一般情况下，谐波电流与基波电流相比所占比例不大，但谐波高频时，由于导线的肌肤效应使谐波电阻比基波电阻增加得多，谐波引起的附加线路损耗也增大。

谐波会使电网和用电设备的功率因数恶化。

变频器的输入电压和电流波形存在着畸变，变频器输入侧功率因数的计算不能像通常那样可用电流和电压滞后角的余弦值表示，而必须用电源的有功和无功的比值表示，即

；

m=1,2,3,…；

为相电压有效值；

为基波电流分量的有效值；

为总电流；

为相电压与基波电流分量的相位差。

谐波源在一些谐波频率上吸收有功功率，而在另一些功率上则向外发送有功功率。

这些谐波有功功率通常都是从电网吸收的基波有功功率转化而来的。

谐波源吸收热谐波有功功率一般对产生谐波的装置本身是有害无益的，谐波源发出的谐波有功功率会给其他用电设备带来危害，而且增加功率损耗。

对于传输电缆的输电系统，谐波除了引起附加损耗外，还可能是电压波形出现尖峰，增强介质的介质强度，从而加速电缆绝缘的老化，引起浸渍绝缘的局部放电，也使介质损耗增加和温度升高，缩短电缆的使用寿命。

通常电缆的额定电压越高，谐波对电缆的危害也越大。

电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，会使上述危害更为严重。

谐波的影响可使电缆的使用寿命平均下降约60%。

对于架空线路来说，电晕的产生和电压峰值有关，虽然电压基波并未超过规定值，谐波电压峰值可能超过允许值而产生电晕，引起电晕损耗。

流过电网断路器的电流中含有较大谐波时，在电流过零点处的电流变化率可能比正常时大得多，从而使断路器的通断能力下降。

有的断路器的磁吹线圈在谐波电流严重的情况下降不能正常工作，从而使断路器无法正常通断以致损坏。

2.5谐波对电力电容器的影响

为了补偿负载的无功功率、提高功率因数，常在负载处装有并联电容器。

为了提高系统的电压质量，常在变电所安装并联电容器。

此外，为了滤除谐波，也会安装由电容器和电抗器组成的滤波器。

在工频条件下，这些电容器的容抗比系统的感康大得多，不会产生谐振。

由于电容器的容抗与频率成反比，因此在谐波电压作用下的容抗要比基波电压作用下的容抗低得多，从而使谐波电流的波形畸变比谐波电压的波形畸变大得多，即便电压中谐波所占比例不大，也会产生显著的谐波电流。

特别是在发生并联谐振和串联谐振的情况下，很小的谐波电压就能引起很大的谐波电流，使电容器成倍的过载，导致电容器因过电流而损坏。

2.6对变压器和电动机的危害

谐波对变压器与旋转电动机的影响主要是引起附加损耗和过热，其次就是产生机械振动、噪声和谐波过电压。

这些都将缩短电动机的寿命，情况严重时甚至损坏电动机。

变压器在谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近效应，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加，其附加损耗可用下式表示：

为通过变压器的k次谐波电流；

为变压器的短路电阻；

为考虑集肤效应和邻近效应影响的系数。

随着谐波频率的增高，集肤效应加剧，铁耗剧增。

谐波电流还会引起变压器外壳、外层硅钢片和某些固件的发热，并有可能引起变压器局部严重过热，并使变压器噪声过大。

异步电动机的定子绕组流入正序和负序谐波电流

时，形成正向或反向以k倍同步转速旋转的磁场。

正序分量谐波电流将产生正向转矩，和基波正序分量转矩方向相同。

负序分量谐波电流将产生相反方向的转矩。

由于谐波分量一般并不大，因此产生的转矩也很小，而且正序和负序谐波电流产生的转矩相互抵消一部分，所以谐波电流产生的平均转矩可以忽略，但是它产生的脉动转矩却会引起电动机的机械噪声和机械振动。

2.7对电力测量的影响

测量仪表是在纯正弦波情况下校验的，如果供电的波形发生畸变，仪表则容易产生误差。

仪表的原理与结构不同，所产生的误差也不相同。

在存在谐波的情况下，如何测量功率和电能等与收费直接相关的电气量和谐波标准密切相关，而且与存在谐波时功率的定义和分类直接相关。

在测量交流电流、电压值时，如果要观察电动机是否有足够的转矩和输出功率，观察电容器是否能提供所需基波无功功率，只要仪表指示出基波电压、电流即可，这时如果指示出包含谐波在内的有效值，反而会出现问题。

在测量电能时，如果负载不是谐波源，而电网电压含有谐波，则会在负载上产生有害的谐波损耗，用户还要为此多付电费。

如用户是谐波源，向电网输出有害的谐波有功功率，付出的电费还要比它所消耗的基波有功功率应付的电费还要少，这些结果显然非常不合理的。

2.8对继电保护装置的影响

谐波会改变保护继电器的动作特性，引起误动作或拒绝工作。

这与继电器的设计特点和原理有关，不同类型的继电器工作原理和设计性能不同，因此谐波对其影响有较大差别。

谐波对大多数继电器的影响并不太大，但对部分晶体管型继电器和数字继电器可能会很大的影响。

谐波会引起过电流、欠电压、周波等继电器的拒动和误动，使保护装置失灵和动作不稳定。

电磁型继电器的动作是由其电流有效值的二次方决定的，对频率并不敏感。

感应型继电器对谐波也不敏感。

整流型继电器的种类较多，原理各不相同，有的受谐波的影响较为严重。

反映瞬时值的电流继电器由全波整流后的脉动电压来控制继电器的动作，就容易受谐波的影响；

增量继电器中有LC并联谐振电路和电阻组成的四臂电桥，电桥频率是按电流频率为50Hz设计的，因此容易受到谐波的影响。

应用积分比相原理构成的高频差相保护和差动保护装置也很容易受到谐波的影响。

因此，在设计这些继电器时，都要充分考虑到谐波的影响。

2.9对通信系统的干扰

电网中脉冲电压所包含谐波频率较高，因此会引起谐波干扰。

电网中不大的不平衡音频谐波分量，如果耦合到通讯线路上，就可能产生很大的噪声；

谐波干扰会引起通讯系统的噪声，降低通话的清晰度。

干扰严重时会引起信号的丢失，在谐波和基波的共同作用下引起电话铃响，甚至还会发生危及设备和人身安全的事故。

电网中的不平衡谐波电流对通信系统可能产生严重的干扰。

在有多个中点接地的电网中，就会严重干扰到附近的通讯系统。

2.10对其他用户设备的影响

谐波除了对以上设备产生影响之外，还会产生下列影响：

影响电视机的画面质量、影响电子显微镜的清晰度、荧光灯的镇流器及补偿用电容器过热和损坏、对电子计算机干扰、影响仪用互感器的测量精度、使熔断器在没有超过整定值是就熔断、影响其他换流设备和干扰基于电压过零控制的设备同步等。

3抑制谐波的方法

3.1变频器输入侧谐波的抑制

（1）安装进线电抗器

接在电网电源与变频器输入端之间的进线电抗器的主要作用是改善系统的功率因数和实现变频器驱动系统与电源之间的匹配，减少谐波的不良影响。

实际上安装进线电抗器不仅会抑制谐波对电网的影响，而且对变频器内部的电路是非常有利的。

首先能降低变频器自身引起的输入尖窄电流峰值，这对整流模块和滤波电解电容十分有利；

其次输入电抗器可以抑制其他电网谐波对变频器产生的不良影响，例如，当电路中接有改善功率因数用的电容器时，将变频器接入电源时电容的充电电流将引起电压大的畸变，而这种电压畸变可能使运行状态的变频器出现过电流现象而烧坏主电路整流模块；

最后，输入电抗器可以协调电网输入电压的不平衡。

通过安置输入电抗器来减少谐波，还可以改善变频器的输入侧功率因数。

此外，在考虑变频器产生的谐波对改善功率因数用电容器产生的不良影响时，还应考虑电容器是否会过载。

当出现过载时，则应根据需要采用以下对策：

1）以与电容串联的形式接入电抗器；

2）在变频器输入端接入交流电抗器，以减少谐波；

3）重新考虑改善功率因数用电容器的位置。

（2）安置直流电抗器

在变频系统中，在整流器后接入直流电抗器可以有效地改善功率因数，配合得当可以将功率因数提高到0.95，另外，直流电抗器能使逆变器运行稳定，并能限制短路电流。

（3）安置滤波器

由交流电抗器和电容器组成的无源滤波器，可在滤波源头处就近吸收滤波电流。

无源滤波器利用谐振原理，即当发生对某次谐波的谐振时，装置对该次谐波形成低阻通路，从而达到滤波的目的。

在结构上它是由电力电容器、电抗器和电阻经适当组合而成的，运行中与谐波源并联，出去滤波外还兼顾无功补偿的需要。

无源滤波器结构简单，造价低，运行费用也低，在吸收谐波方面效果明显。

但由于其结构和原理上的原因，在应用中也存在着一些难以克服的缺点：

1）抑制较低次谐波的单调谐滤波器只对调谐点的谐波效果明显，而对偏离调谐点的谐波效果不明显；

2）当系统中谐波电流增大时，无源滤波器可能过载，甚至烧坏。

而且滤波效果随系统的运行情况而变化，当系统阻抗和频率波动时，滤波效果变差；

3）当系统阻抗和频率变化时，可能与系统发生并联谐振，使装置无法运行，甚至使整个滤波系统无法正常运行。

（4）使用有源电力滤波器

有源电力滤波器是一种新型的谐波抑制装置，其原理是通过检测及控制电路检测负载电流，分量出谐波及基波无功部分，用以控制主电路输出相应的补偿电流。

与无源滤波器相比，有源电力滤波器有以下优点：

1）作为滤波电流源，不受系统阻抗的影响；

2）没有共振现象，系统结构的变化不会影响补偿结果；

3）原理上比LC滤波器更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的补偿；

4）即使谐波的频率发生变化，也能准确的补偿；

5）由于装置本身能完成输出限制，因此谐波量增大也不会过载。

（5）整流器的多重化

大容量整流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术，即将多个桥式整流电路按某种方式联接，构成多重化整流电路，从而使输入电流谐波分量急剧减少，以降低变频器对电网的干扰。

整理器的多重化的典型应用是单元串联多电平PWM电压型变频器的整流环节。

图8移相30多重联接整流电路

（6）采用PWM控制方式的整流电路

PWM整流电路是以节能和改善功率因数为目的的。

对于电流型PWM整流电路，可以直接对各开关器件进行正弦PWM控制，使得输入电流接近正弦波且和电源电压同相位。

这样输入电流中只包含与开关频率有关的谐波，这些谐波频率很高，因而容易滤除。

对于电压型PWM整流电路，需要电抗器与电源相连。

其控制方法有直接电流控制和间接电流控制两种。

直接电流控制就是设法得到相位与电源电压相同、幅值由负载电流大小决定的电流指令信号，并据此信号跟踪控制PWM整流电路的电流。

间接电流控制就是控制整流电路输入端电压，使其为接近正弦波的PWM波形，并和电源电压保持合适的相位，从而使流过电抗器的输入电流波形为与电源电压同相位的正弦波。

图9双PWM变频器应用原理图

3.2变频器输出谐波干扰的抑制

变频器输出侧的谐波传播途径与一般无线电干扰一样分为传导和辐射。

在传导过程中，与变频器输出线相平行敷设的导线又会产生电磁耦合形成感应干扰；

变频器输出侧谐波又会辐射，对附近的无线电设备产生干扰。

（1）变频器输出侧谐波的抑制

1）采用随机PWM控制技术

一般的SPWM逆变电路存在着较大的载频和2倍载频谐波，此谐波电流在电动机中产生脉动转矩。

同时谐波电流中的低频成分，还能引起电动机的机械共振，因而降低了系统的稳定性。

为解决上述问题，一是提高开关频率，二是采用随机PWM控制法，它从改变噪声的频谱分布入手，使逆变电路输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内，以达到抑制噪声和机械共振的目的。

2）采用优化PWM控制法

普通SPWM变频器一般是靠提高开关频率来消除谐波的，在中小功率电动机控制系统中会用效果很好。

对于大容量的电力电子设备，则由于诸如开关损耗迅速增加或器件开关频率限制等原因而不宜盲目地提高其开关频率，此时可采用优化PWM技术。

优化PWM技术是根据某一额定目标将所有工作频率范围内的开关角度预先计算出来，然后通过查表或者其他计算方式输出，形成PWM波形，能较好地制定谐波。

（2）变频器传导噪声的抑制

1）采用噪声滤波变压器，对高频成分形成绝缘；

2）安置输出电抗器，以提高对谐波成分的阻抗；

3）在变频器的输入端安置滤波器。

（3）变频器辐射噪声的抑制

1）尽量缩短布线距离，并采取将电线双绞的措施，以减少阻抗；

2）将变频器安装在铁制的盒子中，将盒子接地，并将输入、输出电缆装入铁管；

3）在变频器的输出输入端接入电抗器，对电压和电流进行平滑；

4）安置电感滤波器和输出滤波器。

4结论

文中主要讨论了PWM变频器在实际应用带来的新问题及其解决措施。

首先简单介绍了PWM变频器产生谐波的机理，再详细论述了谐波给实际应用的带来的种种问题，最后针对这些问题提出了一些解决办法。

由于各个系统情况不一定相同，所以在实际操作中应结合具体情况选取合适的解决措施以致达到抑制谐波以及消除谐波带来的种种危害。

实际中，PWM变频器的高脉冲输出对交流电动机的绝缘有相当大的负面影响，严重影响绝缘寿命，关于这一问题，由于知识有限，文中没有涉及。

参考文献：

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