关于矿用变频器的谐波抑制探讨

【摘 要】矿用变频器是一把双刃剑，一方面给煤矿生产提供便利，增加了企业效益；另一方面也给企业带来一系列的谐波危害，如耗费电能、损害设备，造成继电保护误动作等。为了有效抑制矿用变频器的谐波危害和促进其服务于矿山生产，本文从谐波定义和产生机理着手，探讨了谐波会给矿山生产带来哪些危害，针对这些危害，笔者进而提出了抑制矿用变频器谐波的常用方法。

【关键词】矿用变频器；谐波抑制；谐波危害；产生机理

1 谐波的定义

非线性负载是导致谐波产生的根本原因。由于流经负载的电流与负载所加电压呈现非线性关系，形成的非正弦电流进而促使了谐波的产生。实践证明，所有具有相同特征的波形者能被分解成正弦波分量（正弦波分量包含基波和谐波两种，且基波频率能够被谐波频率整除）。根据不同谐波的频率与幅度的差别，我们可以将谐波分为偶次谐波与奇次谐波两种，如2次谐波、4次谐波属于偶次谐波，3次谐波、5次谐波属于奇次谐波，由于谐波频率是基波频率的整数倍，当基波频率为xHz时，那么3次谐波频率为3xHz，4次谐波则为4xHz。根据经验，偶次谐波的危害要弱于奇次谐波，比如在平衡的三相体系中，偶次谐波一般由于对称关系所抵消掉，只剩下奇次谐波存在，可见奇次谐波所造成的危害更严重些。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n次谐波，例如5，7，11，13，17，19等，变频器主要产生5，7次谐波。谐波定义示意图如图1所示。

1-3次谐波；2-基波；3-5次谐波

2 谐波产生机理

根据结构区分，可将变频器分为直接变频器与间接变频器两种。直流变频器是将工频电流直接转换为可控频率的交流电流，不需要经过其他环节转换，而间接变频器需要逆变器转换的中间环节才能将工频电流转换为交流电流。无论哪一种变频器，都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，不管采用哪种整流方式，变频器从电网中吸取能量的方式都不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，经傅里叶级数分析可知，这种非周期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。

3 谐波给矿山生产所造成的危害

（1）谐波对供电线路产生了附加损耗。由于肌肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加而提高，造成电能的浪费；由于中性线正常时流过电流很小，故其导线较细，当大量的3次谐波流过中性线时，会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏；

（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。如对发电机的旋转电机产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声；对断路器，当电流波形过零点时，由于谐波的存在可能造成高的di/dt，这将使开断困难，并且延长故障电流的切除时间；

（3）谐波使电网中的电容器产生谐振。工频下，系统装设的各种用途的电容器比系统中的感抗要大得多，不会产生谐振，但产生谐波时，感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备被烧毁；

（4）谐波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，这就使上述危害大大增加，甚至引起严重的责任事故；

（5）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；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。

4 谐波的抑制

（1）采用适当的电抗器。变频器的输入侧功率因数取决于装置内部的AC/DC变换电路系统，可利用并联功率因数矫正DC电抗器， 电源侧串联AC电抗器的方法，使进线电流的THDV大约降低30%～50%，是不加电抗器谐波电流的1P2左右；

（2）装设有源电力滤波器。除传统的LC调试滤波器目前还在应用外，当前抑制谐波的一个重要趋势是采用有源电力滤波器，它串联或是并联于主电路中，实时从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波电流。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，其特性不受系统的影响，无谐波放大的危险，因而倍受关注，在日本等国已获得广泛应用；

（3）采用多相脉冲整流。在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下，可采用多相整流的方法。12相脉冲整流的THDV大约为10%～15%，18相的为3%～8%，完全满足国际标准的要求。其缺点是需要专用变压器，不利于设备的改造，成本费用较高；

（4）使用滤波模块组件。目前市场上有很多专门用于抗传导干扰的滤波模块或组件，这些滤波模块具有较强的抗干扰能力，同时还具有防用电器本身的干扰传导给电源，有些还兼有吸收尖峰电压的功能，对各类用电设备大有益处；

（5）开发新型的变流器。大容量的变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术。几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用PWM逆变器，可构成四象限交流调速变频器，这种变频器不但输出电压、电流为正弦波，而且输入电流也为正弦波，且功率因数为1，还可以实现能量的双向传递，代表了这一技术的发展方向；

（6）选用D-YNll接线组别的三相配电变压器。三相变压器中把高压侧绕组接成三角形，低压绕组为星型且中性点和/110连接以保证相电动势接近于正弦形，从而避免了相电动势波形畸变的影响。此时，由地区低压电网供电的220V负荷，线路电流不会超过30A，可用220V单相供电，否则应以220/380V三相四线供电；

5 减少或削弱矿用变频器谐波的方法

（1）在变频器与电动机之间增加交流电抗器，以减少传输过程中的电磁辐射；（2）使用具有间隔层的变压器，可以将绝大部分的传导干扰隔离在变压器之前；（3）采用具有一定消除高频干扰的双积分A/D转换器；（4）信号线与动力线分开配线， 尽量使用双胶线降低共膜干扰；（5）选用具有开关电源的仪表等低压电器；（6）在使用单片机、PLC等为核心的控制系统中，在编制软件的时候适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增加系统自身的抗干扰能力。

6 结束语

虽然矿用变频器所产生的谐波给矿山生产带来一定程度的消极影响，但它的使用不仅给煤矿生产提供极大的便利性，而且也为煤矿企业增收了经济价值。为了促使矿用变频器更好的服务于矿山生产，我们应该积极探索和研究抑制谐波的新元件和新方法。

参考文献：

[1]郝文清.矿用隔爆变频器的谐波干扰与抑[J].煤，2007（07）.

[2]林凯.浅谈变频器谐波产生原因与抑制[J].科学之友，2010（10）.

[3]殷佳琳，张斌，秦敏.变频器谐波干扰及其防治措施研究[J].控制工程，2013（11）.

作者简介：

崔海刚，1976年1月出生，男，安徽淮南人，中专学历，工作于国投新集股份有限公司口孜东矿，助理工程师。