变频器谐波对策

【摘要】变频器是一个干扰源：变频器干扰其它设备的根本原因是因为其输入和输出电流中含有高次谐波成分的原由。 1.变频器的输入电流 变频器的输入电流产生谐波分析：变频器的三相整流桥的输...

摘 要：变频器谐波干扰问题越来越影响我们自动化生产过程，为此我们需分析变频器谐波成分产生的原因，了解其危害，了解其谐波传播途径从而根据传播特性制定出抑制变频器谐波方法，进而保证现代化工业生产顺利进行。

关键词：变频器；谐波；干扰；预防

引言

随着科学技术的不断发展，特别是计算机技术、控制技术、网络技术、通信技术的日新月异，变频器和 PLC及现场总线在现代工业领域特别是烟草行业运用越来越广泛，但变频器电流谐波及高频电磁辐射的影响对控制回路特别是对现场总线的干扰应引起我们的高度重视，若处理不当，会影响我们的自动化生产。不知你发现了没有？有时网络掉线，查又查不出什么原因，后来又莫名其妙的会好，通过查阅一些资料，我总结了一些处理方法，现就这个问题与大家共同探讨。

一、变频器谐波成分的产生

变频器是一个干扰源：变频器干扰其它设备的根本原因是因为其输入和输出电流中含有高次谐波成分的原由。

1.变频器的输入电流

变频器的输入电流产生谐波分析：变频器的三相整流桥的输入电路如图1具有以下特点；因其输出侧是较高的直流电压。以交流侧线电压为380V为例，输出侧直流电压的平均值为513V。输入侧的电压瞬时值只有在超过直流电压之时，才有可能出现电流。显然输入电流是非正弦波如图2。其频谱分析的结果如图3所示。可以看出其5次谐波和7次谐波的成分是非常高的。这些高次谐波电流除影响其它设备形成干扰外，还对功率因数有影响。

由于变频器属于对称三相负载，故其谐波的次数没有偶数和三的倍数，为5，7，11，13，17，19，23，25，29，31，35，37，41，43，49，…

谐波的次数越高，幅值越小。任何高次谐波电流都是无功电流，以5次谐波为例分析每半个周期内“+”与“-”的瞬时功率之和正好相等，平均功率为0，因此电流中含有高次谐波成分时平均功率时比较低的，引起其减少的因子称为畸变因子，其倒数即为畸变率（THDI）。

2. 变频器的输出电压

决大多数逆变器都采用SPWM调制方式。其中正弦波是调制波，三角波是载波且是双极性的。输出电压为占空比按正弦规律分布高频脉冲矩形波如图4。这样的高频电压波可能对其它设备形成干扰。

3. 变频器的输出电流

尽管变频器输出电压是一系列的脉冲构成但由于电动机定子绕组的电感性质，故通入电动机的定子电流十分接近于正弦波。但输出电流中与载波频率相等的谐波分量仍是较大。

二、谐波的危害

1、电流谐波产生的功率损耗和干扰。

2、电源的电压畸变（电压谐波）。

3、功率因数的降低：输入相电流波形与相电压波形本来接近“同步”，相移角基本为零，而相移系数Cosφ=1。考虑因电流比电压滞后引起的平均功率减少功率因数为Cosφ。

4、对地漏电流产生的危害。

5、电磁感应和电磁辐射引起周围敏感设备的干扰，特别是对通讯设备，弱电控制线路，现场总线设备等的干扰。

三、谐波传布途径及谐波抑制方法

1.电路耦合引起的干扰

（1）传播途径

① 通过电源网络传播 这是变频器输入电流干扰信号的主要传播方式。由于输入电流为非正弦波，当变频器的容量较大时，将使网络电压产生畸变。

② 通过对地漏电流传播 这是变频器输出干扰信号的主要传播方式。由于输出线路与地线之间存在着分布电容，变频器输出的高频脉冲电压通过分布电容流向大地的漏电流是比较可观的。漏电流又通过地线传播到其它设备。

（2）抑制方法

① 电源隔离 对于一些耗电量较小的仪器设备可通过隔离变压器和电网进行隔离，以防止窜入电网的干扰信号进入仪器。

隔离变压器是原、副方变比为1：1的变压器，但在原、副方绕组之间采取了良好的隔离措施。为了加强隔离效果，在变压器的原、副方电路中，还可以加接一些滤波器件如电容器等。

② 接入电抗器 接入电抗器不仅可以削弱谐波电流和电源电压不平衡，还可提高功率因数。电抗器分交流电抗器和直流电抗器。交流电抗器提高功率因数至0.75～0.85，直流电抗器提高功率因数至0.9以上

（a）可以安装位于进线侧的交流线路电抗器，或者位于直流侧的直流电抗器。

（b）同一电源网络中，有多台变频器或有大容量晶闸管设备时变频器应接入交流电抗器 ，这是因为变频器或有大容量晶闸管都是干扰源，可引起网络的电压波形将发生畸变，它们之间相互干扰或干扰其它设备。

（c）变频器容量不足供电变压器容量的1/10时，应接入交流电抗器。这是因为当变压器的容量相对较小时，变压器二次测绕组的电抗能够起到交流电抗器的作用。

（d）为获得等值的谐波抑制效果，加在直流侧的直流电抗器的电感值大致应等于交流测的交流电抗器的电感值的2倍。

③ 采用12脉冲波或18脉冲波

采用一个具有两组二次绕组的三相变压器，以组接成星形，另一组接成三角形如图5。则该两组二次绕组输出电压间的相位将互差30°，将该两个整流桥的输出侧并联，则并联后的电压波形具有12个脉波，结果会使直流电压明显的平稳，同时其输入电流的波形明显得以改善。

有关资料表明：6脉冲波整流时，电流失真率达88%；接入直流电抗器时，电流失真率达40%；12脉冲波整流时，电流失真率只有12%。

2.感应耦合引起的干扰

当变频器的输入电路或输出电路与其它设备的电路挨得很近时，变频器的高次谐波信号将通过感应的方式耦合到其它设备中去

（1）传播途径

① 电磁感应方式 这是电流干扰信号的主要传播途径。由于变频器的输入输出电流中的谐波成分要产生高频磁场，该磁场的磁力线穿过其它设备的控制线路而产生感应干扰电流。

② 静电感应方式 这是电压干扰信号的主要传播途径。是变频器输出的高频电压波通过线路的分布电容传播给其它设备的控制电路。

（2）抑制方法

①合理布线 合理布线能够在相当大程度上消弱干扰信号，布线时应遵循以下原则：

（a）远离原则 干扰信号的大小与控制线和干扰源之间的距离平方成反比，因此现场总线等信号线应尽可能的远离变频器的输入、输出线。

（b）不平行原则 现场总线等信号线与变频器的输入输出线之间越平行互感较大，分布电容也越大，电磁感应和静电感应的干扰也越大，因此它们之间交叉时应垂直交叉。

（c）相绞原则 两根信号线相绞，能有效抑制差模干扰。这是因为两个相邻绞距中，通过电磁感应产生的干扰电流的方向是相反的。绞距越小效果越好。

② 采用屏蔽线 为防止外来的干扰信号窜入控制电路，控制电路应采用屏蔽线。当控制线和变频器相接时只需将屏蔽层其中的一端接到变频器的信号公共端即可。切忌切不可两端都接。若变频器的动力电缆带屏蔽层时两端都应接地。

3.电磁辐射引起的干扰

（1）传播途径

频率很高的谐波分量具有向空中辐射的电磁波的能力，从而对其它设备干扰。尤其对于通信设备的干扰更为严重。

（2）抑制方法

① 接入电抗器

（a）输入电抗器 可使输入电流的波形大为改善，可显著提高功率因数外。也非常有效的削弱输入电流中的高次谐波电流分量引起的电磁辐射的干扰。

（b）输出电抗器 变频器的输出侧一般不接电抗器，但接入输出电抗器可十分有效的削弱输出电流中的谐波成分。

② 正确接地 接地主要目的是安全，但的也具有把高频干扰信号引大地的功能。应注意以下几点。

（a） 接地线应尽量粗一些，接地点尽量靠近变频器。

（b）接地线应尽量远离电源。

（c）变频器所用接地线必须和其它设备接地线分开。

（d）变频器接地端子不能和电源的“零线”相接。

③ 接入滤波器

滤波器主要用于以滤波器主要用于抑制具有辐射能力的频率很高的谐波电流，窜接在变频器的输入和输出电路中如图6。滤波器有高频线圈和电容起组成。必须注意的是变频器输出侧的滤波器中，其电容器只能接在电动机侧，且应串入电阻，以防止逆变管因电容的充、放电而受到冲击。

无源滤波器可以将THDI降低到 16% 至10%的水准，而且，如果与电抗器结合使用的话，可以降低到5%。

这种方案从0.75kW到 500/630kW的变频器都可以适用。

④ 降低载波频率

变频器输出侧谐波电流的辐射能力、电磁感应和静电感应能力都和载波频率有关。适当降低载波频率对抑制干扰是有利的。

参考文献

1.变频器应用教程 张燕宾 编著 机械工业出版社 ISBN 978-7-111-2030-0.

2. 施奈德变频器ATV71说明书.