变频器谐波产生与抑制等级评定.docx

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变频器谐波产生与抑制等级评定

广州丰力橡胶轮胎有限公司

2010年技术等级评价技术论文

论文题目:

变频器谐波产生与抑制

论文作者：

李英泉

部门：

设备管理部

岗位：

电气管理

目录

摘要……………………………………………………………3

关键词…………………………………………………………3

前言……………………………………………………………3

一谐波定义…………………………………………………3

二变频器谐波产生机理……………………………………5

1.变频器输入端谐波产生机理……………………………5

2.变频器输出端谐波产生机理……………………………6

3.变频器谐波的特性………………………………………7

三谐波对电机及驱动负载的影响…………………………7

四降低高压变频器波形畸变的措施………………………8

1.变频器的隔离、屏蔽和接地……………………………8

2.加装交流电抗器和直流电抗器…………………………8

3.加装无源滤波器…………………………………………8

4.加装有源滤波器…………………………………………8

5.加装无功功率静止型无功补偿装置……………………9

6.线路分开…………………………………………………9

7.电路的多重化、多元化…………………………………9

8.变频器的控制方式的完善………………………………9

五结束语……………………………………………………9

参考文献………………………………………………………10

变频器谐波的产生与抑制

李英泉

设备管理部

摘要：

本文讨论变频器在工业调速传动领域中应用所产生的危害及解决措施，重点包括产生谐波的原因、谐波危害、电力谐波管制标准以及谐波的治理措施。

较为全面地介绍无功补偿电容器导致的谐波共振及其抑制措施、串联电抗器的应用、无源电力滤波器的原理与设计应用等技术。

关键词:

谐波产生机理电机危害治理

前言：

随着工业技术的发展，不断有新的电力电子装置（如变频器）和其他非线性负载（又称为畸变负载）接入电网，电网谐波水平逐年升高。

电力谐波导致的各种问题日益突出，已受到供用电双方的高度重视。

对电力谐波进行治理刻不容缓。

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，这些设备经常安装得很近，这样可能会造成相互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。

一谐波定义

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。

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等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为100Hz，3次谐波则是150Hz。

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6n次谐波，例如5、7、11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波。

图1为奇次谐波（均是4%幅度）：

特点是对称，趋势是矩形波。

奇次谐波示意图图1

图2为偶次谐波（均是4%幅度）：

特点是非对称。

趋势是锯齿波。

偶次谐波示意图图2

二变频器谐波产生机理

实际上不限于变频器，晶闸管供电的直流电动机、无换向器电动机等凡是在电源侧有整流回路的，都将产生因其非线性引起的高次谐波。

1.变频器输入端谐波产生机理

变频器的主电路一般为交一直一交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压，经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电压。

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，谐波次数通常为6n±1次高次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。

如果电源侧电抗充分小、换流重叠角可以忽略，那么n次高次谐波为基波电流的1/n。

整流电路的直流电压波形：

（用富氏级数表示的ud），假设变压器容量远远大于装置容量、也不考虑直流侧并联电容，对于m相的整流电路，其直流端ud０：

三相基本整流电路的谐波表达式

单相全波桥式电路：

m=2

三相半波电路：

m=3

三相桥式电路：

m=6

整流后的直流电压分量（平均值）：

Ud0

（单相半波整流电路是非连续的。

不能用此表达式）

对于三相桥式整流电路，根据（cosmnωt）它也只有6x1次、6x2次、6x3次…

所以，变频器对电网的谐波影响一定是很小的。

对可控硅三相全控桥式调速电路来说，谐波的次数、幅值随控制角α的变化而变化。

三相基本整流电路的谐波表达式可以说明变频器整流电路直流侧本身就存在的主要谐波。

要说明的是：

此表达式假设变压器容量大大于整流装置容量，所以电压和负载电流无相关性。

同时也没考虑直流侧的（储能滤波电容的加入会改变桥的换相点，由此产生奇次谐波）。

对于可控硅直流来说；即便变压器容量较大于装置容量，（如果不装电抗器的话）由于电流在控制角较小时，电流不连续，会通过变压器的感抗产生谐波。

2.变频器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（脉冲宽度调制）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。

3.变频器谐波的特性

变频器谐波有功功率是由非线性负荷产生；变频器谐波有功方向与基波有功方向相反，即由用户端送入电网；对于变频器谐波源用户而言，其计量入口处的总有功将是基波有功和谐波有功之代数和（实为相减）；非线性负荷在其工作过程中将基波的部分功率转变成谐波有功，谐波有功将在网络内流动，并在各输配电元件和其他设备中产生损耗和干扰；

三谐波对电机及驱动负载的影响

　　高压变频器输出电流谐波对电机及拖动负载同样会造成有害的影响。

这种影响既有机械的、也有电气的。

　　一般工频电源供电的电动机，因为定子电压和电流都是标准的正弦波，不含谐波成分，所以运转平稳，无脉动。

但当由变频器对电机供电时，如果变频器输出电流中含有谐波成分，电机的转矩就会产生脉动。

以6相电流型变频器为例，其输出电流波形中包含6k±1次（k=1，2，…）的高次谐波，因而电动机就会产生频率为定子电流基本频率6k倍的脉动转矩。

对一般负载，这样大小的脉动转矩影响不大。

但如果电机要求在低速下运行（<2hz）时，有可能导致转速不匀均。

对风机和水泵等泵类负载，如果在调速范围内，某个机械部件的固有振荡频率和脉动转矩的频率一致的话，该部件将发生谐振，会对设备造成潜在的损伤并产生噪声。

因此有必要在事先作出转矩分析，避免上述情况发生。

　　转矩分析主要对旋转件进行。

输入数据包括机械变量和谐波转矩分量。

在作转矩分析之前，先要把变频器的输出电流、电压的谐波分量控制到标准规定的限度以内，必要的话，应增加输出变压器或滤波器。

转矩分析的结果如果还存在潜在的谐振，就要从机械上没法加以避免。

　　主要可能产生谐振的构件有:

带内部冷却叶片的主轴。

主轴固有振荡频率一般低于几十Hz，但叶片等构件的固有振荡频率可能较高。

可通过改变连接刚性和增加阻尼来解决；风机和水泵的叶轮和叶片；大的平板形外罩、壳体等。

是主要噪声谐振的来源。

可通过加皮筋和橡皮来解决。

变频器输出电流谐波对电动机的影响,还表现在噪声过大和发热超标。

因此，对由含有谐波电流供电的电动机，即使谐波达到了一定标准，也应根据情况，适当“降额使用”。

也就是说，电机不要用足100%的负载，而至少要考虑5%-10%的余量。

四降低高压变频器波形畸变的措施

　　降低高压变频器对电流的畸变影响，最根本的方法是尽可能减少以至消除高压变频器本身电流的波形畸变。

目前，已在产品中得到应用的低谐波技术归纳如下:

1.变频器的隔离、屏蔽和接地

变频器系统的供电电源与其它设备的供电电源相互独立。

或在变频器和其它用电设备的输入侧安装隔离变压器。

或者将变频器放入铁箱内，铁箱外壳接地。

同时变频器输出电源应尽量远离控制电缆敷设（不小于50mm间距），必须靠近敷设时尽量以正交角度跨越，必须平行敷设时尽量缩短平行段长度（不超过1mm），输出电缆应穿钢管并将钢管作电气连通并可靠接地。

2.加装交流电抗器和直流电抗器

当变频器使用在配电变压器容量大于500KVA，且变压器容量大于变频器容量的10倍以上，则在变频器输入侧加装交流电抗器。

而当配电变压器输出电压三相不平衡，且不平衡率大于3%时，变频器输入电流峰值很大，会造成导线过热，则此时需加装交流电抗器。

严重时则需加装直流电抗器。

3.加装无源滤波器

将无源滤波器安装在变频器的交流侧，无源滤波器由L、C、R元件构成谐波共振回路，当LC回路的谐波频率和某一次高次谐波电流频率相同时，即可阻止高次谐波流入电网。

无源滤波器特点是投资少、频率高、结构简单、运行可靠及维护方便。

无源滤波器缺点是滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波有放大的可能、耗费多、体积大。

4.加装有源滤波器

有源滤波器通过对电流中高次谐波进行检测，根据检测结果输入与高次谐波成分具有相反相位电流，达到实时补偿谐波电流的目的。

与无源滤波器相比具有高度可控性和快速响应性，有一机多能特点。

且可消除与系统阻抗发生谐振危险。

也可自动跟踪补偿变化的谐波。

但存在容量大，价格高等特点。

5.加装无功功率静止型无功补偿装置

对于大型冲击性负荷，可装设无功功率的静止型无功补偿装置，以获得补偿负荷快速变动的无功需求，改善功率因数，滤除系统谐波，减少向系统注入谐波电流，稳定母线电压，降低三相电压不平衡度，提高供电系统承受谐波能力。

而其中以自饱和电抗型（SR型）的效果最好，其电子元件少，可靠性高，反应速度快，维护方便经济，且我国一般变压器厂均能制造。

6.线路分开

因电源系统内有阻抗，所以谐波负荷电流将造成电压波形的谐波电压畸形。

把产生谐波的负荷的供电线路和对谐波敏感的负荷供电线路分开，线性负荷和非线性负荷从同一电源接口点PCC开始由不同的电路馈电，使非线性负荷产生的畸变电压不会传导到线性负荷上去。

7.电路的多重化、多元化

逆变单元的并联多元化是采用2个或多个逆变单元并联，通过波形移位叠加，抵消谐波分量；整流电路的多重化是采用12脉波、18脉波、24脉波整流，可降低谐波成分；功率单元的串联多重化是采用多脉波（如30脉波的串联），功率单元多重化线路也可降低谐波成分。

此外还有新的变频调制方法，如电压矢量的变形调制。

8.变频器的控制方式的完善

随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术发展，变频器控制方式有了以下发展：

数字控制变频器，变频器数字化采用单片机MCS51或80C196MC等，辅助以SLE4520或EPLD液晶显示器等来实现更加完善的控制性能；多种控制方式结合，单一的控制方式有着各自的缺点，如果将这些单一控制方式结合起来，可以取长补短，从而达到降低谐波提高效率的功效。

五结束语

综上所述，可以了解变频器以及变频器谐波产生的机理，变频器谐波以及其危害性，以及采用变频器隔离、接地或采用无源滤波器、有源滤波器、加设无功补偿装置以及绿色变频器等方法。

随着电力电子技术以及微电子技术等技术的飞速发展，在治理谐波问题上将会迈上一个新的台阶，将变频器产生的谐波控制在最小范围之内以达到抑制电网污染，提高电能质量。

参考文献：

（1）高压变频器的谐波分析

（2）电力系统中谐波的来源

（3）整流电路的直流电压谐波计算

（4）高压谐波治理