浅谈变频器产生的谐波危害及治理措施

张劲松

概述：变频器因其调速范围广、节能效果显著，越来越广泛地应用到工业各领域中，但变频器产生的谐波干扰也是我们工程技术人员应该关注的重大问题。本文结合变频器的内部结构的相关知识，分析变频器谐波产生的原因及其危害，在此基础上提出了其谐波抑制及治理的一些方法。

关键词：变频器、变频器产生的谐波机理、谐波危害、谐波治理及抑制

一、变频器原理及其谐波的产生

1 ．变频器原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交 — 直 — 交方式（ VVVF 变频或矢量控制变频），它先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制等四个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为 IGBT 三相桥式逆变器，且输出为 PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

变频器输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路，这些都是由非线性元件组成的，在开断过程中，其输入端和输出端都会产生高次谐波。另外变频器输入端的谐波还会通过输入电源线对公用电网产生 影响。

2 ．变频器输入侧产生谐波机理

对于变频器而言，只要是电源侧有整流回路的，都将产生因非线性引起的谐波。以三相桥整流电路为例，交流电网电压为一正弦波，交流输出电流波形为方波，对于这个波形，按傅氏级数可分解为基波和各次谐波，通常含有 6m±1(m=1,2,…) 次谐波，其中高次谐波干扰电网。单个基波与几个高次谐波组合一起被称为畸波。

3 ．变频器输出侧产生谐波机理

在逆变输出回路中，输出电压和输出电流均有谐波。由于变频器是通过 CPU 产生 6 组脉宽可调的 SPWM 波控制三相的 6 组功率元件导通 / 关断，从而形成电压、频率可调的三相输出电压。其输出电压和输出电流是由 SPWM 波和三角载波的交点产生的，不是标准的正弦波，如电压型变频器，其输出电压波形为方形波，用傅氏级数分解电压方波和电流正弦锯齿波可分析出包含较强的高次谐波成分，高次谐波对设备产生很强的干扰，甚至造成设备不能使用，周围仪器信号失真。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。

二、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，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，给周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。有几个常见多发的问题是由谐波引起的：电压畸变、过零噪声、中性线过热、变压器过热、断路器的误动作等。谐波对电力设备或电力系统的危害主要表现在：

1 ．对变压器的影响

谐波电流将增加铜损和漏磁损，谐波电压将增加铁损，综合结果是使变压器温度和噪声上升，影响其绝缘能力 ，并造成容量裕度减少。

2 ．对电动机的影响

谐波电流将引起电动机附加发热，导致电动机额外温升，机械效率下降，电动机往往要降容使用。由于输出波形失真，增加电动机的峰值电压，影响电动机的绝缘，谐波还会引起电动机转矩脉动，以及噪音增加。对发电机的影响除产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声外，还会产生过电压。

3 ．对供电线路的影响

高频率谐波电流使线路阻抗随频率增加而提高，对供电线路产生了附加谐波损耗，造成电能的浪费；而且导体对高频率谐波电流有集肤效应并且集肤效应随频率的增加而增加，使导体额定载流量减少。这就是为什么变频器回路电缆截面需要加大的原因。

在中性点直接接地的三相四线制供电系统中，当负荷产生 3N 次谐波电流时，中性线上将流过各相 3N 次谐波电流的和。如当时三相负荷不平衡时，中性线上流经的电流会更大，中性线电流可能大于任何一相的相电流，造成中性线发热过高 、绝缘老化、寿命缩短、损坏甚至发生火灾。

4 ．对电力电容器组的影响

一般电容器的标准规范，规定其电流只允许 35 ％的超载，但实际运转时，由于谐波的影响，以致常发生严重过载。由于电容器的阻抗，伴随频率的增加而减少，故当谐波产生时，电容器即成为一陷流点，流入大量的电流，因而导致过热，增加介电质的应力，甚至损坏电容器。

5 ．谐波可能使电容器与电网产生谐振

在工频下，系统装设的各种用途的电容器其容抗比系统中的感抗要大得多，不会产生谐振。但在谐波频率时，感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，谐振将使谐波放大，导致电容器等设备被烧毁，甚至引起严重事故。

系统内部产生的谐波电流有可能使系统内的电容器与电网产生并联谐振。发生并联谐振时，电容器的容抗值与电网的感抗值相等，相位相差 180 ° , 电路等效阻抗为无穷大，电路相当于开路，产生无限大的谐波电压，即电容器和电网上均加上了无限大的谐波电压，造成电容器故障，也增大了谐波对电网的影响。

电网上的谐波电压有可能使系统内的电容器与电网产生串联谐振。发生串联谐振时，电容器的容抗值与电网的感抗值相等，相位相差 180 ° , 电路等效阻抗为零，电路相当于短路，产生无限大的谐波电流，同样造成电容器故障，也同样增大了谐波对电网的影响。

6 ．对保护电器的影响

电流中含有谐波，有可能改变保护电器的动作特性，以致引起误动作。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 di ／ dt ，这将使断路器的开断能力降低，并且延长故障电流的切除时间。剩余电流断路器（ RCCB ）是以相线和中性线电流之和来确定的，如果电流之和大于其整定值， RCCB 将动作切断电源。

7 ．对电子设备的影响

谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能表等计量仪表出现较大误差，降低精确度。许多电子控制器要检测电压的过零点，以确定负荷的接通时刻。这样做是为了在电压过零时接通感性负荷不致产生瞬态过电压，从而可减少电磁干扰 (EMI) 和半导体开关器件上的电压冲击。当在电源上有高次谐波或瞬态过电压时，在过零处电压的变化率就很高且难于判定过零点从而导致误动作。

8 ．对 通信设备 的影响

输电线中若含有谐波，则将产生磁场及电场，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。　　　　　

三、谐波的治理及抑制

变频器给人们带来极大的方便、高效率和巨大的经济效益的同时，却对电网注入了大量的谐波和无用功。抑制谐波的总体思路有三个：其一是装设谐波滤波装置来滤除或补偿谐波；其二是对变频装置本身进行改造，使其尽量少产生谐波；其三是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 ．选用适当的电抗器。

（ 1 ）输入电抗器。在电源与变频器输入侧之间串联交流电抗器，这样可使整流阻抗增大，有效地抑制高次谐波电流，减少电源浪涌对变频器的冲击，改善三相电源的不平衡性，进线谐波电流大约可降低 30% ～ 50% 。

( ２ ) 在直流环节串联直流电抗器。直流电抗器串联在直流中间 环节母线中，其主要作用是减小输入电流的高次谐波成分，提高输入电源的功率因数（一般可提高到 0.95 ）。此电抗器可与交流电抗 器同时使用。

（３）输出电抗器。由于电机与变频器之间的电缆存在分布电容，尤其是在电缆距离较长，且电缆较粗时，变频器经逆变输出后调制方波会在电路上产生一定的过电压，使电机无法正常工作，可以通过在变频器和电机间连接输出电抗器来进行限制。

2 ．选用适当的输入或输出滤波器。

在变频器输入、输出电路中，有许多高频谐波电流，滤波器用于抑制变频器产生的电磁干扰噪声的传导，也可抑制外界无线电干扰以及瞬时冲击、浪涌对变频器的干扰。根据使用位置的不同可以分为输入滤波器和输出滤波器。

（ 1 ）输入滤波器有 2 种，线路滤波器和辐射滤波器：

线路滤波器串联在变频器输入侧，由电感线圈组成，通过增大电路的阻抗减小频率较高的谐波电流；在需要使用外控端子控制变频器时，如果控制回路电缆较长，外部环境的干扰有可能从控制回路电缆侵入，造成变频器误动作，此时将线路滤波器串联在控制回路电缆上，可以消除干扰。

辐射滤波器并联在电源与变频器输入侧，由高频电容器组成，可以吸收频率较高具有辐射能量的谐波成分，用于降低无线电噪声。线路滤波器和辐射滤波器同时使用效果更好。

（ 2 ）输出滤波器串联在变频器输出侧，由电感线圈组成，可以减小输出电流中的高次谐波成分，抑制变频器输出侧的浪涌电压，同时可以减小电动机由高频谐波电流引起的附加转矩。注意输出滤波器到变频器和电机的接线尽量缩短，滤波器亦应尽量靠近变频器。输出滤波器从结构上分 LR 滤波器单元和 LC 滤波器单元两种类型（如图一、 . 图 二）。

图一 LC 滤波器单元 图二 LR 滤波器单元

3 ．装设无源谐波滤波器。

无源谐波滤波器回路由电容器串联电抗器组成。谐波滤波器的电容器在基波频率时产生无功功率，作为无功补偿用；而电抗器的电感值选择是使之与电容器发生串联谐振以形成低阻抗电路，让大部分的谐波电流流入谐波滤波器。因此，谐波滤波器同时具有滤波和无功补偿作用。

4 ．装设有源滤波器。

当前抑制谐波的重要趋势是采用有源电力滤波器，它串联或并联于主电路中，实时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目的，从而使电网电流只含基波电流。它与无源滤波器相比，具有高度可控性和快速响应性，且可消除与系统阻抗发生谐振危险，但存在容量大、价格高的特点。

5 ．采用多相脉冲整流。

在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下，可采用多相整流的方法。 12 相脉冲整流的电流畸变大约为 10% ～ 15% ， 18 相的为 3% ～ 8% ，谐波电流含量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。

6 ．选用 Dyn11 接线组别的三相配电变压器。

接线为 Yyn 的变压器，其二次侧负荷产生 3N 次谐波电流时，其中性线上除有三相负荷不平衡电流总和外，还将流过 3N 次谐波电流的代数和，并将谐波电流通过变压器一次侧流入电网。解决上述问题最简单的办法是采用 Dyn 接线的变压器，使负荷产生的谐波电流在变 压器△形绕组中循环，而不致流入电网。不过，无论谐波电流流入电网与否，所有的谐波电流都会增加变压器的电能损耗，并增加了变压器的温升。

7 ．适当加大变压器的容量，尽量选用短路阻抗小的变压器。

8 ．加装调谐式电容电抗器组。

加装调谐式电容电抗器组，可以避免电力电容器组对谐波的放大；另外，改变电容器组串联电抗器的参数，可避免高次谐波产生的谐振。串联电抗率为 6% 的电抗器，谐振频率为 204Hz ，可以避免大于 5 次谐波的谐振；串联电抗率为 7% 的电抗器，谐振频率为 189Hz ，可以避免大于 4 次谐波的谐振；串联电 抗率为 14.8% 的电抗器 ，谐振频率为 130Hz ，可以避免大于 3 次谐波的谐振。

9. 采用专线或专用变压器供电

把产生谐波的负荷的供电线路和对谐波敏感的负荷的供电线路分开，线性负荷和非线性负荷由不同的线路馈电，使非线性负荷产生的畸变电压不会传导到线性负荷上去。

这是因为由非线性负荷引起的畸变负荷电流在线路上产生一个畸变的电压降。合成的畸变电压波形加到与此同一电路上所接的全部其他负荷上，引起谐波电流的流过，即使这些负荷是线性的负荷也是如此。

9 ． 合理布线，屏蔽辐射。

在电动机与变频器之间的电缆应穿钢管敷设或采用屏蔽电缆，并和其他弱电信号线分开敷设，降低线路干扰；另外，变频器使用专用接地线。

10 ．使用具有隔离变压器，可以将电源侧绝大部分的传导干扰隔离在变压器之前。 均衡的三次谐波电流传回到电源去的问题可以用一台 Dyn 接法的隔离变压器来削弱。

四、谐波治理与抑制措施的具体应用

上面提出了变频器产生的谐波的一些治理与抑制措施，对于一个具体的工程，这些措施并非同时使用，需要根据各工程的具体情况合理采用。

1. 在单机传动中，我们一般选用 6 相脉冲整流的变频器，其供电母线段中，谐波消除装置配置的一般要求（经验值）：非线性负荷安装容量占总安装容量或变压器容量 20 ％及以上时应安装调谐电容电抗器组；非线性负荷安装容量占总安装容量或变压器容量 40 ％及以上时应安装 5 次消谐滤波器；非线性负荷安装容量占总安装容量或变压器容量 60 ％及以上时应安装 5 次、 7 次等消谐滤波器。

2. 调谐电容电抗器组其电容器的额定电压不宜低于 466V （对于 400V 母线）。电容器的实际补偿容量应按下式进行换算： Q C = Q e U n 2 /[U e 2 (1-K)] 。（式中 Qe 为电容器的在额定电压下的补偿容量， Q C 为电容器的在母线实际电压下的补偿容量， U e 、 U n 分别为电容器的额定电压和母线的实际电压， K 为电抗率。）

3. 在同一母线段有多台变频器或母线上还有其它谐波源时，变频器回路需装设进线电抗器；需要调节变频器供电母线功率因数时，需装设直流电抗器； 当电机电缆长度大于 60 米（非屏蔽电缆）或 100 米（屏蔽电缆）时，为了防止电机启动时的瞬时过零电压，在变频器回路装设输出交流电抗器，否则需要加大电动机的容量。

4 ．一般来说，为了抑制谐波的影响，我们通常选用 Dyn11 接法的配电变压器，在同一变电所中，有多台变压器时，不并应全篇一律选用 Dyn11 接法的变压器，应适当选用一些相位错开的变压器。

5 ．在同一母线段有多台变频器或较多非线性负荷时，所有的数字仪表或马达保护器的工作电源不应直接从母线段引接，应通过隔离变压器引接或采用直流电源供电。

6 ．目前因有源滤波器的价格昂贵，除非对谐波要求很高的场所，一般不宜选用。 对于交 — 直 — 交变频器产生的谐波，谐波的次数很分明，可以用无源谐波滤波器来降低谐波电流。对于六脉冲的变频器，可分别装设 5 次、 7 次、 11 次、 13 次 滤波器滤掉相应的谐波； 对于十二脉冲的变频器，可分别装设 11 次、 13 次 滤波器滤掉相应的谐波。

参 考 文 献

1 、中国航空规划设计研究院组编 . 工业及民用配电设计手册（第三版） . 北京：水力电力出版社 .2005 ： 280 ～ 291

2. 黄俊 王兆安 电力电子变流技术 北京：机械工业出版社 2003.1

3. 马小亮 大功率交 - 直 - 交变频调速及矢量控制技术北京：机械工业出版社 1998.6

4. 刘介才 工厂供电 北京：机械工业出版社 1996.5

5. 电气标准规范汇编 北京：计划出版社， 1994

6. 徐兴 浅谈变频器谐波危害及解决

7. 王鹏飞 变频器的谐波干扰及防止对策

8 ．温伯银 . 谐波的危害及其抑制措施 . 建筑电气 . 成都： 2005,3:4 ～ 6

9 ． Nokia 公司产品样本。

_______________________________________________________________［2007第2期］