概述变频器谐波分析及解决措施

概述变频器谐波分析及解决措施
【摘要】在我国社会主义经济不断高速发展的情况下，各行各业都在不断的发展变革，其中电子设备也在不断的更新换代。

本文针对变频器产生的谐波进行系统分析，发现变频器产生的谐波含量很高，对电气和电子设备有潜在的危害。

采用在变频器输入端安装电抗器的措施来抑制谐波，降低了谐波电流的总畸变率。

【关键词】变频器；谐波；电抗器
变频器因其体积小、重量轻、成本低及效率高等优点在各生产领域倍受青睐，特别是在风机、水泵等传动系统中得到了广泛应用。

变频器的应用虽然产生了显著的节能效益，但随之而来的谐波问题不容忽视。

谐波电流注入电网，不仅增加输电线的损耗，缩短输电线寿命，而且还会使熔断器在没有超过整定值时就熔断，增加旋转电动机的损耗、增大电动机噪声、产生脉动转矩，造成继电保护、自动装置工作紊乱，由于容抗对谐波的扩大作用，很小的谐波电压就可以引起很大的谐波电流，导致电容器因过流而损坏。

谐波危害日趋严重，谐波电流污染已经成为影响供电质量的重要问题。

1 变频器输入侧谐波测试
某装置多台电动机均需变频器控制，且电动机功率均大于100kW，考虑变频器会产生谐波，会对其他设备产生影响，所以对变频器产生谐波情况进行了测试。

测试仪器采用Fluke434 三相电能质量分析仪，测试对象为控制160kW 电动机的变频器，此变频器输入侧和输出侧均无电抗器，测试位置为变频器输入端。

1．1 谐波电流测试
在实验中我们很容易看到变频器输入端L1 相电压、相电流测试的波形，在实际操作中我们所见到的电流波形一般都是在半个周期内出现了两个波峰，电流发生了严重的畸变。

如果已知变频器输入端三相电流谐波成分为L1、L2、L3，就可以利用仪器计算出L1相电流总谐波畸变率已达到65．3% ，5次谐波电流总畸变率为55．3%，7 次谐波电流总畸变率为28．5% ，主要谐波成分为 5 次、7 次、11 次、13 次谐波，即6n +1 次谐波，完全符合六脉整流器产生谐波成分原理。

1．2 谐波电压测试
在我国，按照中华人民共和国国家标准GB/T 14549-93《电能质量公用电网谐波》中规定，380V 电压电网总谐波畸变率不高于5%。

如果在变频器输入端三相电压波形，单一一台变频器输入端三相电压畸变很明显，那么电压谐波畸变率就会不同于一般正常数值。

2 谐波分析
变频器整流模块原理等同于六脉整流器工作原理，为确定变频器为主要谐波源，将变频器拆除，电动机运行稳定后，对电动机输入端三相电流进行测试，如果在工作中将电动机输入端三相电流谐波成分，我们可以得出，电流总谐波畸变率为22．1% ，谐波主要成分为 3 次谐波与 5 次谐波，L1相 3 次谐波电流总畸变率为21．0%，5 次谐波电流总畸变率为6．5%，仍然很高，主要原因是电网系统已经被谐波污染。

但是，相对于带变频器时测试谐波成分，谐波总畸变率明显小了很多。

与谐波电流测试结果相比可以看出，变频器谐波电流问题很严重，但工艺要求此电动机由变频器控制，所以要采取有效措施来抑制变频器谐波。

3 谐波抑制措施
治理变频器谐波电流的设备主要有 3 类:输入电抗器，无源电力滤波器，有源电力滤波器。

变频器产生的谐波电流与电网的系统阻抗密切相关，电网的阻抗越高，则谐波电流越小。

在变频器的电源输入端串联电抗器，等同于增加了电网阻抗，因此会减小变频器的谐波电流。

安装输入电抗器后，可以使谐波电流畸变率减小，而且电抗器的价格也很低廉。

无源电力滤波器本质上是频域处理方法，也就是将非正弦周期电流分解成傅里叶级数，对某些谐波进行吸收以达到治理目的。

无源电力谐波滤波器的滤波效果好、成本低、技术成熟、可靠性高，是解决变频器谐波电流问题的可选设备。

但仍存在很多不足，如: 只能对特定谐波进行滤波; 滤波参数会影响滤波性能; 对于谐波次数经常变化的负载滤波效果不好; 可能与系统阻抗发生串联谐振; 随着电源侧谐波源的增加，可能会引起滤波器的过载，电网中的某次谐波电压可能在LC网络中产生很大的谐波电流等。

有源电力滤波器是通过检测出谐波源发出的谐波电流成分，向电网注入幅度相同但是相位相反的谐波电流，两者对消，达到消除谐波电流的目的，其谐波畸变率可以小于5%，电流波形接近正弦波，滤波性能不受系统阻抗的影响，不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果。

原则上，用一台装置就能完成各次谐波的治理，实现了谐波的动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化，具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿。

电网总谐波畸变率很高或谐波成分非常复杂时，将其并联在电网节点处，可对所有注入电网中的谐波进行有效抑制。

综合多方面因素，考虑到电抗器成本低、结构简单、稳定性好，选用与变频器匹配的进线电抗器来抑制变频器谐波。

谐波电流测试结果可以得出，变频器产生的谐波成分主要为 5 次及以上次谐波，且 5 次谐波含量最高，可配置电抗率为4．5% ～7．0% 的输入滤波电抗器。

电抗率为6．0% 的电抗器，抑制 5 次谐波效果比较好，但对 3 次谐波有明显的放大作用。

电抗率为4．5% 的电抗器对 3 次谐波轻微放大，且抑制5 次谐波效果比较明显。

进线电抗器的容量由电抗器每相绕组上的压降来决定。

一般为电网侧相电压的2．0% ～4．0%，假如变频器容量较大，为160kW、
10V。

在变频器控制电动机转速运行中，变频器输入侧电流频率为50Hz，变频器输出侧电流为电动机实际运行电流，频率小于50Hz，所以变频器输入侧电流小于变频器输出侧电流，此台电动机额定电流为284．2A。

这里，取电抗器额定电流为285 0A，代入式( 1) 可得电网侧相电压（L）为0．112mH。

对此变频器安装L = 0．112mH 参数的电抗器，并对变频器输入端谐波进行测试，测试结果与谐波电流测试结果相比，明显得出，电流波形畸变率大幅度降低，相电流总谐波畸变率从65．3%降低到30．0%，5 次谐波畸变率从55．3% 降低到24．2% ; 与安装电抗器前比较，电流总谐波畸变率降低了50．0% 以上，滤波效果非常显著，总谐波畸变率接近无变频器时电流总谐波畸变率。

变频器输入端加电抗器可以抑制谐波，保护变频器，变频器输出端加电抗器可以保护电动机，当变频器和电动机距离超过百米时，要加输出电抗器。

4 结束语
综上所述，变频器在节能及自动化控制等方面做出贡献的同时，也产生了一些负面效应——谐波问题。

通过测试证明了在变频器输入侧安装与之相匹配电抗器这一简单、经济、可靠的措施，解决谐波问题的效果确实很显著，注入电网的谐波电流也得到了很好的抑制; 同时，削弱了谐波电流对电动机的影响。

但是，全厂在用变频器共百余台，只有部分变频器输入侧安装有电抗器，随着变频器的应用越来越多，变频器产生的谐波问题应引起广泛的关注。

如果要继续更好地抑制变频器谐波对电网的影响，最简单的方法仍是安装电抗器，但与此同时，也会降低电网系统的功率因数，增加能耗，所以变频器谐波的治理问题仍需进行深入探讨。

参考文献
［1］付光杰．油田电网谐波检测与APF 控制技术的研究［D］．大庆: 东北石油大学，2008．
［2］向虎，张雅，张自亮，等．漠北油田生产中的高次谐波危害分析与解决［J］．电气传动，2006，36( 12) : 27～29．
［3］曲学基，曲敬铠，于明扬电力电子滤波技术及其应用［M］．北京: 电子工业出版社，2008．。