变频器电磁谐波污染及抑制措施

变频器在工业生产中具有无可比拟的优越性，但是由于变频器中要进行大功率二极管整流、大功率晶体管逆变，结果是在输入输出回路产生高次谐波电流，对供电系统、负载及其他邻近电气设备产生干扰，尤其是在对防干扰要求比较高的高精度仪表、计算机控制系统等应用中，谐波干扰问题尤为突出。交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，在异步电动机各种调速方式中，变频调速传动系统占有极其重要的地位。这类系统具有功率因数高、输出谐波小、起动平稳、调速范围宽等优点，在各个行业均已成功应用，由于变频器具有高效、节能和智能化的特点，已经成为提高能源产出和控制特性、改善机械设备性能的一个强有力的途径。

1.变频器谐波产生机理

变频器谐波产生机理是因其电源侧有整流回路，故将产生因其非线性引起的高次谐波。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，6脉冲整流设备产生的谐波次数通常为6n±1次高次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统，n次高次谐波约为基波电流的1/n。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。

2.变频器产生高次谐波对电网中电气设备的危害

一般来讲，变频器对容量大的电力系统影响不是十分明显，但是对于系统容量小的系统，谐波产生的干扰就不可忽视，它对公用电网是一种污染，客观的存在对公用电网和其它系统的危害大致有：

（1）谐波使公用电网的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用率，大量的三次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。

（2）谐波影响各种电气元件的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪音和过电流，使电容器、电缆等设备过热，绝缘老化、寿命缩短以至损坏。

（3）谐波会引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述的危害大大的增加，甚至引起严重事故。

（4）谐波会对临近的通讯系统产生干扰，导致通讯质量降低，甚至信息的丢失，使通讯系统无法正常工作。

变频器产生高次谐波对电网中电气设备的危害具体表现为：

变压器电流和电压谐波将增加变压器铜损和铁损，结果使变压器温度上升，影响绝缘能力，造成容量裕度减小。谐波还能产生共振及噪声。

感应电动机电流和电压谐波同样使电动机铜损和铁损增加，温度升。同时谐波电流会改变电磁转距，产生振动力矩，使电动机发生周期性转速变动，影响输出效率，并发出噪声。

电力电容器当高次谐波产生时由于频率增大，电容器阻抗瞬间减小，涌入大量电流，因而导致过热、甚至损坏电容器，还有可能发生共振，产生振动和噪声。

开关设备由于谐波电流使开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率，使暂态恢复峰值电压增大，破坏绝缘，还会引起开关跳脱、引起误动作。

保护电器电流中含有的谐波会产生额外转距，改变电器动作特性，引起误动作，甚至改变其操作特性，或烧毁线圈。

计量仪表计量仪表因为谐波会造成感应盘产生额外转距，引起误差，降低精度，甚至烧毁线圈。

电力电子设备电力电子设备通常靠精确电源零交叉原理或电压波形的形态来控制和操作，若电压有谐波成分时，零交叉移动、波形改变、以致造成许多误动作。

高次谐波还会对电脑、通信、设备电视及音响设备、载波遥控设备等产生干扰，使通信中断，产生杂讯，甚至发生误动作，另外还会对照明设备产生影响。

3.抑制谐波干扰的方法

变频器产生的高次谐波通过传导、电磁辐射和感应耦合三种方式对电源及邻近用电设备产生谐波污染。传导是指高次谐波按着各自的阻抗分流到电源系统和并联的负载，对并联的电气设备产生干扰；感应耦合是指在传导的过程中，与变频器输出线平行敷设的导线又会产生电磁耦合形成感应干扰；电磁辐射是指变频器输出端的高次谐波还会产生辐射作用，对邻近的无线电及电子设备产生干扰。解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离;解决辐射干扰就是对辐射源或扰的线路进行屏蔽：解决耦合干扰就是合理布置干扰源和扰线路的距离、走向，避免耦合产生。总的原则是抑制和切断干扰源、切断干扰对系统的耦合通道和降低对干扰信号的敏感性。

变频器高次谐波污染的解决途径变频器输入侧高次谐波污染的解决途径（1）在变频器交流输入侧设置交流电抗器增大整流阻抗使整流重叠角增大，减小高次谐波。（2）在电力回路中并联使用交流滤波器，能将来自变频器的高次谐波分量与电源系统分流。（3）对于装设多台变频器的场合，可各配专用的变压器，利用输入变压器相位错开的方法抑制高次谐波。变频器输出侧高次谐波污染的解决途径降低PWM控制的输出波形中所含有的交流谐波成分带来的磁杂讯技术已越来越多地在各种变频器中得到应用，如采用更高频率的开关元件、变频器输出端加装滤波器，用随机法调节切换频率和闭环控制改善高次谐波。除了采用诸如隔离、屏蔽、接地、合理布线等抑制干扰传播的技术方法以外，还可以采取回避和疏导的技术处理，如滤波、吸收和旁路等等，这些回避和疏导技术简单而巧妙，有时可以代替成本费用昂贵而质量体积较大的硬件措施，收到事半功倍的效果。

随着工业生产技术的逐步提高，变频器使用范围的逐步加大，变频器高次谐波带来的电磁干扰和污染问题也越来越突出，怎样处理好变频器系统的谐波干扰污染成了变频器进一步推广应用，特别是在对谐波污染要求高的场所的推广应用的关键。本文从变频器工程实际应用出发，从隔离、屏蔽、滤波和接地四个方面全面阐述了抑制和消除干扰的方法，对提高变频器等工业设备运行的可靠性和安全性具有一定指导意义。