变频器谐波问题干扰范围及处理方法

变频器常见谐波问题以及解决方法
变频器常见谐波问题以及解决方法
在现代化港口、矿井、运输港的建设中，变频软启动渐渐替代机
械软启动，如常规液力耦合器，CST液力软启动，成为市场主流，
其主要原因为可控性高，精度强。

变频器在使用过程中也会相应的出现自己的问题，重点介绍下在
现场安装中变频器谐波问题以及处理办法。

就矿井使用的变频器而言，非下运皮带大都使用二象限的，因不
需要对电网进行电能反馈，下运皮带在运行以后对电网进行电能反馈，既逆向输送电力，而非使用电力，四象限变频器就是除了正反
转外还能控制，实现能量反馈回电网的变频器。

2象限指的就是普
通的控制速度的变频器。

内部除了控制方式不同外，硬件方面主要
就是4个象限变频器整流和逆变电路都使用可双向导通的半导体元件，一般是IGBT。

而2象限的整流部分一般是晶闸管或二极管。

而就谐波问题而言，问题重点出现在四象限变频器，因产生的奇
数次谐波较强，且干扰问题严重，频器正常工作中，由于变频器高
次谐波的影响引发控制电路发生串联谐振，造成系统电源故障，就
功率等级而言，75KW以上四象限变频器因考虑进行谐波治理，而二
象限变频功率在100KW以下可以进行常规处理即可。

在变频器使用过程中，经常出现误指示、乱码等情况;变频器停
止工作时系统完全恢复正常。

很明显这是由于变频器高次谐波分量对电源的干扰造成的，通常，对此最为行之有效的办法就是对控制电路的供电电源加装电源滤波器。

在加装市售的通用电源滤波器后，系统恢复了正常，但是随之又
有新的问题出现了，控制电路中的熔断器频繁熔断。

停电后对电路
进行检查，经现场详细观察发现，在系统逐渐升速过程中，变频器
运行输出在某个频段之间时频繁发生短路故障。

而且，将变频器的
负载(电动机)断开后，该故障现象仍频繁出现，在去掉电源滤波器
后该故障消失。

因此，首先对该滤波器进行了检查，拆开后发现滤
波器采用的是常见的π型滤波。

检查发现电源滤波器本身没有任何故障，进一步分析变频器的
工作原理可知，在交-直-交型变频器中，电网通过三相整流桥给变
频器供电，供电电流利用傅立叶级数可以分解为包含基波和6K±1
次谐波(K=1，2，3…)分量等一系列谐波分量，谐波含量随进线电抗
和和直流滤波电抗的电感量增加而减少。

具有关资料介绍，通常情况下，加电抗器后五次谐波、七次谐波、十一次谐波和十三次谐波仍然占到40%、35%、25%和20%左右。

由于
电路参数频率特性的影响，在n 次谐波所作用下电感的感抗为，电
容的容抗为，整个电源滤波器的等效复阻抗;其中是滤波器的等效感抗，是滤波器的等效容抗。

如果在k次谐波的作用下，滤波器在该
次谐波下的等效感抗的值与等效容抗的值相等，可知此时电路在该
频率下的等效复阻抗，即电路处于谐振状态。

由于此时R仅是线路
电阻，其值是非常小的，可以近似的认为，即电路在该次谐波的作
用下处于处于短路状态。

依据上述分析，可以得出结论：该电源短
路故障是由于变频器输出的高次谐波分量造成电源滤波器发生串联
谐振引起的。

通常情况下，如果引起谐振的谐波分量不是足够大，
是不应引起短路故障的，但是当其短路电流的有效值超过系统熔断
器保护范围时，就会造成短路故障，采用该类电源滤波方式就不十
分合适了。

分析清楚故障原因后，针对工控系统干扰源的主要来源途径即电
源的干扰、过程通道的干扰及空间电磁干扰等，对控制显示系统采
取了进一步的防干扰措施。

首先，针对前述系统的故障状态，采用
大电容替代原来的电源滤波器进行滤波，有效的解决了控制系统电
源系统的干扰问题。

但是，必须着重指出的是在变频器的输出侧，
绝对禁止采用电容器来吸收高次谐波，以防止在逆变管导通瞬间，
出现峰值很大的充电或放电电流，造成逆变管的损坏;其次，由于用
户要求液位指示器与变频器的相对位置不能改变，在不能使液位指
示器远离变频器的情况下，将液位指示器进行了严格的金属屏蔽，
而且信号屏蔽线、金属屏蔽层进行了严格的单独接地与系统工作及
安全接地分开，信号线与电源线空间位置相对垂直，有效的防止了
空间的电磁干扰的窜入。

变频器配套用的各类电抗器的作用和容量选择等问题也是十分
必要的，变频器配套用的电抗器有3种：
一、进线电抗器LA1又称电源协调电抗器，它能够限制电网电压突
变和操作过电压引起的电流冲击，有效地保护变频器和改善其功率
因数。

接入与未接入进线电抗器时，变频器输入电网谐波电流的情况。

二、直流电抗器LDC直流电抗器接在变频系统的直流整流环节与逆
变环节之间，LDC能使逆变环节运行更稳定，及改善变频器的功率
因数。

三、输出电抗器LA2接在变频器输出端与负载（电机）之间，起到
抑制变频器噪声的作用。

1.需要安装进线电抗器的场合如下：
进线电抗器既能阻止来自电网的干扰，又能减少整流单元产生的谐
波电流对电网的污染，当电源容量很大时，更要防止各种过电压引
起的电流冲击，因为它们对变频器内整流二极管和滤波电容器都是
有害的。

因此接入进线电抗器，对改善变频器的运行状况是有好处的。

根据运行经验，在下列场合一定要安装进线电抗器，才能保证
变频器可靠的运行。

1）电源容量为600kVA及以上，且变频器安装位置离大容量电源在
10m以内，如图3所示：
2）三相电源电压不平衡率大于3％，电源电压不平衡率K按式（1）计算
3）其它晶闸管变流器与变频器共用同一进线电源，或进线电源端接
有通过开关切换以调整功率因数的电容器装置。

进线电抗器容量的选择
进线电抗器的容量可按预期在电抗器每相绕组上的压降来决定。

一
般选择压降为网侧相电压的2％～4％。

电感量L的计算公式如式（2）所示： UV ——交流输入相电压有
效值（V）；ΔUL——电抗器额定电压降（V）； In——电抗器额
定电流（A）； f——电网频率（Hz）。

进线电抗器压降不宜取得过大，压降过大会影响电机转矩。

一般情
况下选取进线电压的4％（8.8V）已足够,在较大容量的变频器中如
75kW以上可选用10V压降。

三相交流进线电抗器的设计计算
当选定了电抗器的额定电压降ΔUL，再计算出电抗器的额定工作电
流In以后，就可以计算电抗器的感抗XL。

电抗器的感抗XL由式（3）求得： XL=ΔUL/In(Ω)(3)
有了以上数据便可以对电抗器进行结构设计。

电抗器铁芯截面积S与电抗器压降ΔUL的关系，如式（4）所示：
式中：ΔUL——单位V； f——电源频率（Hz）； B——磁通密度（T）； N——电抗器的线圈圈数； Ks——铁芯迭片系数取
Ks=0.93。

电抗器铁芯窗口面积A与电流In及线圈圈数N的关系如式(5)所
示： A=InN/(jKA)(5)
式中：j——电流密度，根据容量大小可按2～2.5A/mm2选取； KA ——窗口填充系数，约为0.4～0.5。

铁芯截面积与窗口面积的乘积关系如式（6）所
示： SA=UI/(4.44fBjKsKA×10－4)（6）
由式(6)可知，根据电抗器的容量UI(=ΔULIn)值，选用适当的铁芯
使截面积SA的积能符合式(6)的关系。

假设选用B=0.6T，j=200A/cm2，Ks=0.93，KA=0.45，设A=1.5S,则
电抗器铁芯截面与容量的关系为：
为了使进线电抗器有较好的线性度，在铁芯中应有适当的气隙。

调
整气隙，可以改变电感量。

气隙大小可先选定在2～5mm内,通过实
测电感值进行调整。

2.在有直流环节的变频系统中，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，所以很多厂
家生产的55kW以上的变频器都随机供应直流电抗器。

3.输出电抗器的主要作用是补偿长线分布电容的影响，并能抑制变频器输出的谐波，起到减小变频器噪声的作用。

电抗器电感量的测定
直流电抗器LDC电感量的测定
铁芯电抗器的电感量和它的工作状况有很大关系，而且是呈非线性的，所以应尽可能使电抗器处于实际工作条件下进行测量。

图4所示是测量直流电抗器的电路。

在电抗器上分别加上直流电流Id与交流电流I～，用电容C=200μF隔开交直流电路，测出LDC两端的交流电压U～与交流电流I～，可由式（9）、式（10）式近似计算电感值L。

交流电抗器电感量的测定
带铁芯的交流电抗器的电感量不宜用电桥测量，因为测电感电桥的电源频率一般是采用1000Hz，因此测电感电桥只可用于测量空心电抗器.
对于用硅钢片叠制而成的交流电抗器，电感量的测量可用工频电源的交流电压表——电流表法测量，如图5所示。

通过电抗器的电流可以略小于额定值，为求准确可以用电桥测量电抗器线圈内阻rL，每相电感值可按式（11）计算：
式中：U——交流电压表的读数(V)； I——交流电流表的读数(A)； rL——电抗器每相线圈电阻(Ω)。

由于电抗器线圈内阻rL很小，在工程计算中常可忽略。

与变频器配套的的三种电抗器对变频器系统的稳定、可靠运行有相当大的作用，其中以进线电抗器作用最大，它能有效地保护整流逆变系统免遭过电压和浪涌电流的冲击，并能提高变频系统的功率因数，国产电抗器质量良好，造价低廉，值得推广应用。

电力系统中所采取的电抗器常见的有串联电抗器和并联电抗器。

串联电抗器主要用来限制短路电流，也有在滤波器中与电容器串联或并联用来限制电网中的高次谐波。

220kV、110kV、35kV、10kV电网中的电抗器是用来吸收电缆线路的充电容性无功的。

可以通过调整并联电抗器的数量来调整运行电压。

超高压并联电抗器有改善电力系统无功功率有关运行状况的多种功能，主要包括：
（1）轻空载或轻负荷线路上的电容效应，以降低工频暂态过电压。

（2）改善长输电线路上的电压分布。

（3）使轻负荷时线路中的无功功率尽可能就地平衡，防止无功功率不合理流动同时也减轻了线路上的功率损失。

（4）在大机组与系统并列时降低高压母线上工频稳态电压，便于发电机同期并列。

（5）防止发电机带长线路可能出现的自励磁谐振现象。

（6）当采用电抗器中性点经小电抗接地装置时，还可用小电抗器补偿线路相间及相地电容，以加速潜供电流自动熄灭，便于采用。

电抗器的接线分串联和并联两种方式。

串联电抗器通常起限流作用，并联电抗器经常用于无功补偿。

在直流输电系统的直流电抗器：
直流电抗器作用是将叠加在直流电流上的交流分量限定在某一规定值。

滤波电抗器，又称直流平波电抗器，用于变流器的直流侧，电抗器中流过的是具有交流分量的直流电流。

它的作用是将叠加在直流电流上的交流分量限定在某一规定值。

还用于并联变流器的直流侧对耦，降低断续极限，限制环流线路中的环流，以为应用直流快速开关切断故障电流时限制电流上升率还被用在电流，电压型变频器中间回路的直流平波，这可用于整流电源平波，以消除纹波。

减小电流脉动值,改善输入功率因数。

直流电本身并不存在电抗器。

所谓“直流电抗器”，是指带有直流成份的交流电，如整流器后边接的LC滤波电路。

由于直流部分很容易使铁芯电感产生磁饱和，使电感失去感抗，所以铁芯的磁回路中，都要开空气隙，以增大磁阻，避免磁饱和的发生。

综上所述，在变频调速控制系统的设计中，系统本身抗干扰的设
计固然是很重要的;与此同时，必须充分考虑变频器本身对于其它电
气显示控制系统的干扰，特别是高次谐波对控制电路电源系统的干
扰影响，在设计电源滤波器时应考虑到在高次谐波的影响下可能造
成的谐振等问题。

采取上述措施后，整个系统的工作恢复了正常，说明上述措施是完全可行的。

同时，进一步实验发现，为了削弱通
过线路传播的干扰信号，在控制电路电源不采用电容滤波时可以在
控制电路中传入一个小电感，该电感在工频情况下的阻抗是很小的，但是对于频率很高的谐波电流呈现很高的阻抗，可以起到有效的抑
制作用，其使用效果也是不错的。

泰丰集团技术部
2014-4-3。