变频器谐波产生原理以及有源电力滤波器治理与案例分析
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3.滤波措施 滤波既可抑制从电子设备输出的干扰源，又能抑制从电源引入的干扰源。为减少 电磁噪声，可在变频器输出侧设置输出滤波器;为减少电源的干扰，可在变频器 输入侧设置输入滤波器，同时滤波器外壳应和变频器外壳牢固连在一起并可靠接 地，其目的是建设接触电阻，提高滤波效果。 另外，为抑制变频器输入侧谐波电流，改善功率因数，可在输入端串联交流电抗 器;为改善变频器输出电流质量，可在输出侧串联交流电抗器。
有源滤波装置投入运行后电网侧 5、7、11 次谐波减小为 5A、8A、3A，各次谐波
电流明显降低，提高了供电系统的稳定性，收到了良好的运行效果。
4.安科瑞有源电力滤波器介绍
4.1 主要技术参数
APF
立柜式
额定输出电 30~600A
流
抽屉式 30~50A
壁挂式 75A~100A 30A~50A
100A
响应时间 完全响应时间≤10ms，瞬时响应时间≤100μs
开关频率 10kHz~20kHz
功能设置 只补偿谐波、只补偿无功、既补偿谐波又补偿无功
谐波补偿次 2-51 次（全部补偿或指定次数补偿）
数
损耗
≤2%
效率
≥98%
保护类型 直流过压保护、IGBT 过流保护、装置过温保护、输出限幅保护等
冷却方式 强制风冷
变频器的整流回路是由大功率=极管组成电路，输入电流波形为不规则的矩 形波，其波形按傅立叶级数进行分解，除了得到与电源基波频率相同的分量外， 还有一系列大于电源基波频率分量的高次谐波。
谐波实际上是一种干扰量，系指 x 一个周期电气量的非正弦波分量，其频率 为基波频率的整数倍。每个谐波都有不同的频率、幅值与相角，高次谐波频率与 基波频率的比值称为谐波次数，有偶次谐波与奇次谐波之分。一般讲奇次谐波造 成危害比偶次谐波更大，在三相整流负载中出现谐波为 3、5、7、11、13……次 谐波。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
治理前(A)
治理后(A)
基波电流
834
基波电流
821
3 次谐波电流
8
3 次谐波电流
1
5 次谐波电流
47
5 次谐波电流
5
7 次谐波电流
49
7 次谐波电流
8
9 次谐波电流
3
9 次谐波电流
1
11 次谐波电流
24
11 次谐波电流 3
变压器谐波情况由表一可以看出，谐波以 5 次、7 次为主，分别为 47A、49A，在
领域中的应用日益广泛，变频器产生的高次谐波对公用电网的危害也日益严重。 变频器是把工频（50Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现对电机进行调速运 行的设备。由于其整流逆变电路的开关特性，对电网形成了一个典型的非线性负 载，当电流流经负载时，与所加的电压不成线性关系，就形成非正弦电流，从而 产生谐波。
变压器出线侧装有 1 台 ANAPF，采用集中治理方案，自动跟踪补偿负载产生 的谐波电流，保障配电系统安全可靠运行。图 2/3 分别为变压器下的负载正常工 作时有源电力滤波器运行前后的各次谐波数据图，表一为运行前后的电网电能参 数对比数据。
图 2 治理前数据
图 3 治理后数据
表一 ANAPF200-380/BGL 运行前后效果对比
2.屏蔽措施 屏蔽是电子设备电磁兼容的重要措施，它能有效地抑制通过空间传播的各种干扰 源，既可阻止或减少电子设备内的辐射电磁能量对外传播，又可阻止或减少外部 辐射对电子设备的影响。根据屏蔽机理，变频器常用的是电场平布，即是采用金 属导体的外壳将变频器屏蔽，不让其干扰源泄漏。同时变频器的控制线也要屏蔽， 并做好屏蔽层的良好可靠接地。
3.并联型有源滤波器的应用 3.1 项目背景
汽车配件行业有一类为对汽车零部件进行冷锻、温锻、热锻及精机加工，主 要负载为变频器等非线性负载，在使用过程中会产生大量以 5 次、7 次为主的谐 波并注入系统中，如果不进行谐波治理，会对电网造成严重的污染，也会影响其 他设备的正常工作，比如当负载突然变化时，配电柜中框架断路器会产生很大噪 音；谐波严重时会导致母排成套设备损坏，影响配电系统的正常运行。 3.2 解决方案
5.其他措施 为避免长电缆产生驻波，变频器与电动机之间连接电缆长度应尽量短，更不能将 过长的电缆盘成圈状放在机柜内。变频器进线电缆应套上长约 1.5~2 米的金属蛇 皮管，蛇皮管外壳要可靠接地。
四．安科瑞有源电力滤波器在项目中的具体应用 1.谐波的治理措施
针对某汽车配件这一典型的使用变频器较多的行业，在改善电能质量方面通 常采用的方法是在变压器出线侧加装谐波滤除装置进行集中治理。有源电力滤波 器通过并联的方式连接到系统，再通过 CT 实时采集系统谐波电流，控制器快速 计算并提取各次谐波电流的含量和角度，产生谐波指令电流，通过功率执行器件 产生与谐波电流幅值相等、方向相反的补偿电流分量，注入到电力系统中，从而 抵消非线性负载所产生的谐波电流。图 1 为安科瑞有源电力滤波器原理图。
同理，在逆变输出回路中，输出电流信号受载波信号调制而变成脉冲波形， 其波形按傅立叶级数进行分解，也分得基波和各次谐波。据此，变频器运行中必 然会产生高次谐波，当频率可变的并含有颇丰高次谐波交流输入配套电动机，必 将对异步电动机造成不良的影响。
三．变频器产生谐波的治理措施 1.隔离措施 隔离是电磁兼容的重要技术措施之一，系指从电路上把干扰源和易受干扰元件隔 开，使它们不发生电的联系。在变频调速系统中，通常在电源与放大电路之间使 用隔离变压器以消除传导干扰，其次，将不同信号线隔开铺设，或采用屏蔽双绞 线，或各自单独走线，使信号线不与电力线平行走线。
谐波的危害主要包括：①增加输电、供电和用电设备的额外附加损耗，使设 备的温度过高甚至发生火灾，降低利用率；②与补偿电容器发生并联谐振或串联 谐振，放大谐波电流，引起严重事故；③影响用电设备正常工作，使变压器局部 严重过热和噪声，使绝缘老化，寿命缩短以至损坏等；④对邻近的通讯系统工作 产生干扰；⑤影响继电保护和自动装置的工作可靠性。
图 1 ANAPF 有源电力滤波器原理图
2.并联型有源滤波器特性不受系统阻抗影响，不会与电网发生谐振，并具有高度 可控性和快速跟踪性，可以适应多台变频器不同步运行的复杂工况；可以同时补 偿各次谐波电流，保障了良好的滤波效果；可以在滤除谐波的同时兼补无功，也 可以对系统中所有负载进行集中治理，性价比比较高。
尺寸
800*1000*220
0（mm）
485*610*27 485*615*21 485*275*61 485*240*61
（其他尺寸可 5mm
5mm
0mm
5mm
定制）
进出线方式 接线方式
上进上出或 下进下出（其
后进后出 他方式可定 制） 三相三线或三相四线
上进上出
接入电压 380V ±15%
接入频率 50Hz ±2%
噪音
≤65dB
工作环境温 -10℃～+45℃（环境温度超过工作温度范围降容使用）
度 工作环境湿
＜85%RH 不凝结 度
安装场合 室内安装
海拔高度 ≤1000m（更高海拔需降容使用）
防护等级 IP20
智能通信接 外加模块
口 远程监控 可选
安装方式 立柜式、壁挂式、抽屉式 4.2 产品特点 ● DSP+FPGA 全数字控制方式，具有极快的响应时间，先进的主电路拓扑和控制 算法，精度更高、运行更稳定； ● 一机多能，既可补谐波，又可兼补无功，可对 2～51 次谐波进行全补偿或指 定特定次谐波进行补偿； ● 具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能； ● 模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容，可满足不同工况的需求； ● 采用 7 英寸大屏幕彩色触摸屏以实现参数设置和控制，使用方便，易于操作 和维护； ● 输出端加装滤波装置，降低高频纹波对电力系统的影响； ● 多机并联，达到较高的电流输出等级； ● 拥有自主专利技术。 5、结论 并联有源滤波装置针对变频器类谐波源的治理效果具体体现为消除谐波电流、降 低电气故障率、提高设备的使用寿命和性能等。本文在介绍变频器这一典型谐波 源的产生原理及危害的基础上，分析某汽车配件应用案例，并对比分析了 ANAPF 低压有源滤波器投入运行前后的数据，可以看出在使用过后各次谐波得到了明显 的下降，满足行业需求，提升电能质量，改善用电环境，为电力系统保驾护航。
4.接地措施 接地分为保护接地和工作接地，其作用均为抑制干扰源，提高电子设备抗电磁干 扰的能力。变频器的正确可靠接地是抑制噪声和减少干扰主要措施，如将变频器 与电源分开接地，其抑制干扰效果更好。变频器的接地，先在机柜内将各种接地 线汇于柜内的汇流排，然后用粗铜线接到公共接地体上。但应禁止与电源、避雷 器的接地线连在一起，接地线之间的绝缘应良好可避免接地干扰。
变频器谐波产生原理以及有源电力滤波器治理与案 例分析
安科瑞 王志彬
2019.1
摘要：文章针对变频器这一典型谐波源设备，从变频器的工作原理入手，分析了 变频器产生谐波的原因及危害，并对某汽车配件公司的电能质量问题进行测量并 提出治理方案，以减少谐波对电网负载的影响，提高供电质量。
一．谐波的产生及危害 随着工业自动化程度的不断提高，变频器在工业调速传动、电力电子系统等
二.变频器产生谐波机理 变频器是非线性设备，其主电路一般都采用交—直—交电压逆变方式，外部
输入的 380V50Hz 工频电源，经三相桥式电路整流成直流电压，再电容滤波及大 功率晶体管逆变为频率可变的交流电流输出，为需要调速的电动机提供频率可变 的电源。根据电动机转速公式 n=[(60f)/p](1-s)可知，将输入频率可变的电流， 即可实现电动机转速的调节。
有源滤波装置投入运行后电网侧 5、7、11 次谐波减小为 5A、8A、3A，各次谐波
电流明显降低，提高了供电系统的稳定性，收到了良好的运行效果。
4.安科瑞有源电力滤波器介绍
4.1 主要技术参数
APF
立柜式
额定输出电 30~600A
流
抽屉式 30~50A
壁挂式 75A~100A 30A~50A
100A
响应时间 完全响应时间≤10ms，瞬时响应时间≤100μs
开关频率 10kHz~20kHz
功能设置 只补偿谐波、只补偿无功、既补偿谐波又补偿无功
谐波补偿次 2-51 次（全部补偿或指定次数补偿）
数
损耗
≤2%
效率
≥98%
保护类型 直流过压保护、IGBT 过流保护、装置过温保护、输出限幅保护等
冷却方式 强制风冷
变频器的整流回路是由大功率=极管组成电路，输入电流波形为不规则的矩 形波，其波形按傅立叶级数进行分解，除了得到与电源基波频率相同的分量外， 还有一系列大于电源基波频率分量的高次谐波。
谐波实际上是一种干扰量，系指 x 一个周期电气量的非正弦波分量，其频率 为基波频率的整数倍。每个谐波都有不同的频率、幅值与相角，高次谐波频率与 基波频率的比值称为谐波次数，有偶次谐波与奇次谐波之分。一般讲奇次谐波造 成危害比偶次谐波更大，在三相整流负载中出现谐波为 3、5、7、11、13……次 谐波。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
治理前(A)
治理后(A)
基波电流
834
基波电流
821
3 次谐波电流
8
3 次谐波电流
1
5 次谐波电流
47
5 次谐波电流
5
7 次谐波电流
49
7 次谐波电流
8
9 次谐波电流
3
9 次谐波电流
1
11 次谐波电流
24
11 次谐波电流 3
变压器谐波情况由表一可以看出，谐波以 5 次、7 次为主，分别为 47A、49A，在
领域中的应用日益广泛，变频器产生的高次谐波对公用电网的危害也日益严重。 变频器是把工频（50Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现对电机进行调速运 行的设备。由于其整流逆变电路的开关特性，对电网形成了一个典型的非线性负 载，当电流流经负载时，与所加的电压不成线性关系，就形成非正弦电流，从而 产生谐波。
变压器出线侧装有 1 台 ANAPF，采用集中治理方案，自动跟踪补偿负载产生 的谐波电流，保障配电系统安全可靠运行。图 2/3 分别为变压器下的负载正常工 作时有源电力滤波器运行前后的各次谐波数据图，表一为运行前后的电网电能参 数对比数据。
图 2 治理前数据
图 3 治理后数据
表一 ANAPF200-380/BGL 运行前后效果对比
2.屏蔽措施 屏蔽是电子设备电磁兼容的重要措施，它能有效地抑制通过空间传播的各种干扰 源，既可阻止或减少电子设备内的辐射电磁能量对外传播，又可阻止或减少外部 辐射对电子设备的影响。根据屏蔽机理，变频器常用的是电场平布，即是采用金 属导体的外壳将变频器屏蔽，不让其干扰源泄漏。同时变频器的控制线也要屏蔽， 并做好屏蔽层的良好可靠接地。
3.并联型有源滤波器的应用 3.1 项目背景
汽车配件行业有一类为对汽车零部件进行冷锻、温锻、热锻及精机加工，主 要负载为变频器等非线性负载，在使用过程中会产生大量以 5 次、7 次为主的谐 波并注入系统中，如果不进行谐波治理，会对电网造成严重的污染，也会影响其 他设备的正常工作，比如当负载突然变化时，配电柜中框架断路器会产生很大噪 音；谐波严重时会导致母排成套设备损坏，影响配电系统的正常运行。 3.2 解决方案
5.其他措施 为避免长电缆产生驻波，变频器与电动机之间连接电缆长度应尽量短，更不能将 过长的电缆盘成圈状放在机柜内。变频器进线电缆应套上长约 1.5~2 米的金属蛇 皮管，蛇皮管外壳要可靠接地。
四．安科瑞有源电力滤波器在项目中的具体应用 1.谐波的治理措施
针对某汽车配件这一典型的使用变频器较多的行业，在改善电能质量方面通 常采用的方法是在变压器出线侧加装谐波滤除装置进行集中治理。有源电力滤波 器通过并联的方式连接到系统，再通过 CT 实时采集系统谐波电流，控制器快速 计算并提取各次谐波电流的含量和角度，产生谐波指令电流，通过功率执行器件 产生与谐波电流幅值相等、方向相反的补偿电流分量，注入到电力系统中，从而 抵消非线性负载所产生的谐波电流。图 1 为安科瑞有源电力滤波器原理图。
同理，在逆变输出回路中，输出电流信号受载波信号调制而变成脉冲波形， 其波形按傅立叶级数进行分解，也分得基波和各次谐波。据此，变频器运行中必 然会产生高次谐波，当频率可变的并含有颇丰高次谐波交流输入配套电动机，必 将对异步电动机造成不良的影响。
三．变频器产生谐波的治理措施 1.隔离措施 隔离是电磁兼容的重要技术措施之一，系指从电路上把干扰源和易受干扰元件隔 开，使它们不发生电的联系。在变频调速系统中，通常在电源与放大电路之间使 用隔离变压器以消除传导干扰，其次，将不同信号线隔开铺设，或采用屏蔽双绞 线，或各自单独走线，使信号线不与电力线平行走线。
谐波的危害主要包括：①增加输电、供电和用电设备的额外附加损耗，使设 备的温度过高甚至发生火灾，降低利用率；②与补偿电容器发生并联谐振或串联 谐振，放大谐波电流，引起严重事故；③影响用电设备正常工作，使变压器局部 严重过热和噪声，使绝缘老化，寿命缩短以至损坏等；④对邻近的通讯系统工作 产生干扰；⑤影响继电保护和自动装置的工作可靠性。
图 1 ANAPF 有源电力滤波器原理图
2.并联型有源滤波器特性不受系统阻抗影响，不会与电网发生谐振，并具有高度 可控性和快速跟踪性，可以适应多台变频器不同步运行的复杂工况；可以同时补 偿各次谐波电流，保障了良好的滤波效果；可以在滤除谐波的同时兼补无功，也 可以对系统中所有负载进行集中治理，性价比比较高。
尺寸
800*1000*220
0（mm）
485*610*27 485*615*21 485*275*61 485*240*61
（其他尺寸可 5mm
5mm
0mm
5mm
定制）
进出线方式 接线方式
上进上出或 下进下出（其
后进后出 他方式可定 制） 三相三线或三相四线
上进上出
接入电压 380V ±15%
接入频率 50Hz ±2%
噪音
≤65dB
工作环境温 -10℃～+45℃（环境温度超过工作温度范围降容使用）
度 工作环境湿
＜85%RH 不凝结 度
安装场合 室内安装
海拔高度 ≤1000m（更高海拔需降容使用）
防护等级 IP20
智能通信接 外加模块
口 远程监控 可选
安装方式 立柜式、壁挂式、抽屉式 4.2 产品特点 ● DSP+FPGA 全数字控制方式，具有极快的响应时间，先进的主电路拓扑和控制 算法，精度更高、运行更稳定； ● 一机多能，既可补谐波，又可兼补无功，可对 2～51 次谐波进行全补偿或指 定特定次谐波进行补偿； ● 具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能； ● 模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容，可满足不同工况的需求； ● 采用 7 英寸大屏幕彩色触摸屏以实现参数设置和控制，使用方便，易于操作 和维护； ● 输出端加装滤波装置，降低高频纹波对电力系统的影响； ● 多机并联，达到较高的电流输出等级； ● 拥有自主专利技术。 5、结论 并联有源滤波装置针对变频器类谐波源的治理效果具体体现为消除谐波电流、降 低电气故障率、提高设备的使用寿命和性能等。本文在介绍变频器这一典型谐波 源的产生原理及危害的基础上，分析某汽车配件应用案例，并对比分析了 ANAPF 低压有源滤波器投入运行前后的数据，可以看出在使用过后各次谐波得到了明显 的下降，满足行业需求，提升电能质量，改善用电环境，为电力系统保驾护航。
4.接地措施 接地分为保护接地和工作接地，其作用均为抑制干扰源，提高电子设备抗电磁干 扰的能力。变频器的正确可靠接地是抑制噪声和减少干扰主要措施，如将变频器 与电源分开接地，其抑制干扰效果更好。变频器的接地，先在机柜内将各种接地 线汇于柜内的汇流排，然后用粗铜线接到公共接地体上。但应禁止与电源、避雷 器的接地线连在一起，接地线之间的绝缘应良好可避免接地干扰。
变频器谐波产生原理以及有源电力滤波器治理与案 例分析
安科瑞 王志彬
2019.1
摘要：文章针对变频器这一典型谐波源设备，从变频器的工作原理入手，分析了 变频器产生谐波的原因及危害，并对某汽车配件公司的电能质量问题进行测量并 提出治理方案，以减少谐波对电网负载的影响，提高供电质量。
一．谐波的产生及危害 随着工业自动化程度的不断提高，变频器在工业调速传动、电力电子系统等
二.变频器产生谐波机理 变频器是非线性设备，其主电路一般都采用交—直—交电压逆变方式，外部
输入的 380V50Hz 工频电源，经三相桥式电路整流成直流电压，再电容滤波及大 功率晶体管逆变为频率可变的交流电流输出，为需要调速的电动机提供频率可变 的电源。根据电动机转速公式 n=[(60f)/p](1-s)可知，将输入频率可变的电流， 即可实现电动机转速的调节。