变频器谐波

变频器谐波

一、变频器谐波定义

变频器谐波是变频器运行过程中，需要对输入电源用大功率二极管整流（或晶体管/逆变模块）进行逆变；在其逆变过程中，在输入输出回路产生的高次谐波；变频器谐波对供电系统、负载及其他邻近电气设备产生干扰。

二、变频器谐波产生机理

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。

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。

三、变频器谐波特性

1、变频器谐波有功功率是由非线性负荷产生；

2、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；

3、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）；

4、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；

四、变频器谐波危害

通常来讲，变频器谐波对容量相对较大的电力系统影响不很明显；而对容量小的电力系统，变频器谐波产生的干扰就不可忽视，它对公用电网是一种污染。

变频器谐波污染对电力系统的危害是严重的，主要表现在以下几个方面：

1、变频器谐波降低电力设备使用寿命

如变频器电流谐波将会使变压器的铜损增加。变频器电压谐波将增加铁损，使其温度上升，影响绝缘能力，并造成容量裕度减小。同时变频器谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振。

2、变频器谐波影响各电器元件正常工作

变频器输出谐波对电动机的影响有：电机附加发热使电机额外升温；产生机械震动、噪音及过电流。变频器谐波会使电力电容发生过载、过热甚至损坏电容器。当电容器与线路阻抗达到共振时会发生振动、短路、过电流及产生噪声。变频器谐波电流会使开关设备在启动瞬间产生很高的电流变化率，破坏绝缘。

3、变频器谐波的其它危害

变频器谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差；变频器谐波对其他系统及电力用户危害也很大：如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；影响电子设备工作精度，使精密机械加工的产品质量降低；设备寿命缩短，家用电器工况变坏等。

五、变频器谐波测量

假设SPWM波的载波频率为fc，基波频率为fs，fc/fs称为载波比N，对于三相变频器，当N为3的整数倍时，输出不含3次谐波及3的整数倍谐波。且谐波集中载波频率整数倍附近，即谐波次数为：kfc±mfs，k和m为整数。

下图是基波频率fs=50Hz，载波频率fc=3kHz，调制比为0.8的SPWM的波形及频谱的Matlab仿真图。

图中58次谐波和60次谐波的幅值分别为27.8%和27.7%，含量最大的谐波为119次和121次谐波，谐波幅值分别为39.1%和39.3%。即最大谐波在两倍载波频率附近。

随着谐波频率的升高，谐波幅值整体呈现下降趋势，按照GB/T22670变频器供电三相笼型感应电动机试验方法的规定，变频电量变送器的带宽应该在载波

频率的6倍以上，当载波频率为3kHz时，带宽至少为18kHz，实际使用建议采用30kHz以上带宽的变频功率传感器及变频功率分析仪。

用于变频器谐波测量的WP4000变频功率分析仪

实际的SPWM波，其载波比不一定为整数，此时，为了降低频谱泄露，可适当增加傅里叶窗口长度，对多个基波周期的PWM进行傅里叶变换（FFT或DFT）。

六、变频器谐波治理

治理变频器谐波问题，抑制辐射干扰和供电系统干扰，可采取屏蔽、隔离、接地等技术手段。

1、安装适当的电抗器

在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器，吸收谐波和增大电源或负载的阻抗，达到抑制谐波的目的，以减少传输过程中的电磁辐射。通过抑制谐波电流，将功率因数由原来的(0.5-0.6)提高至（0.75-0.85）；

2、电源隔离或安装隔离变压器

将变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立，或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器，切断谐波电流；

3、避免干扰辐射

电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆，并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设，避免辐射干扰；

4、变频器正确的接地

正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。变频器使用专用接地线，且用粗短线接地，邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开，使用短线，这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰；

5、缩短线路长度

缩短线路长度，电源线和信号线单独敷设，避免交叉，不能避免时，必须垂直交叉，绝对不能平等敷设，信号线屏蔽层不接到电机或变频器的地，而应该接到控制线路的公共端；

6、安装EMI电源滤波器

当前抑制变频器谐波的一个重要趋势是采用EMI电源滤波器，它串联或是并联于主电路中，实时从补偿对象中检测出变频器谐波电流，由补偿装置产生一个与该变频器谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波电流。EMI电源滤波器能对频率和幅值都变化的变频器谐波进行跟踪补偿，其特性不受系统的影响，无谐波放大的危险，因而获得了广泛的应用。