变频器谐波污染及治理.pdf

变频器谐波污染及治理 变频调速在工业生产中具有十分重要的意义,但是由于变频器在输入回路中 产生的高次谐波电流,对供电系统,负载及其他邻近电气设备产生干扰;尤其是在 高精度仪器|仪表、微电子控制系统等应用中,谐波干扰问题尤为突出。本文从变 频器工程实际应用出发,从隔离、滤波和接地三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提供参考。 一、 变频器谐波产生机理 凡是在电源|稳压器侧有整流回路的,都将因其非线性而产生高次谐波。变频 器的主电路一般为交－直－交组成,外部输入380V/50HZ的工频电源经晶闸管三 相桥路整流成直流,经电容器滤波后逆变为频率可变的交流电。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高次谐波, 谐波次数通常为6N±1（N为自然常数）。如果电源侧电抗充分小、换流重叠µ 可以忽略,那么第K次高次谐波电流的有效值为基波电流的1/K。 二、 高次谐波危害 谐波问题由来已久,近年来这一问题因由于两个因素的共同作用变得更加严 重。这两个因素是：工业界为提高生产效率和可靠性而广泛使用变频器等电力电 子装置,使得与晶闸管相关设备的使用迅猛增长,并伴随着谐波源的同步增加和 放大;电力用户为改善功率因数而大量增加使用电容器组,并联电容器以谐振的 方式加重了谐波的危害。 非线形负荷产生的谐波电流注入电网,使变压器低压侧谐波电压升高,低压 侧负荷由于谐波干扰而影响正常工作,另一方面谐波电压又通过供电变压器传递 到高压侧干扰其它用户。 在三相回路中,三的整数倍次谐波电流是零序电流,零序电流在中性线中是 相互叠加的。零序谐波电流主要是由三相四线制非线性设备产生的,使供电系统 中的中性线电流很大。当中性线上有较大的谐波电流时,中性导线的阻抗在谐波 下能产生大的中性线电压降,此中性线电压降以共模干扰形式干扰计算机和各种 微电子系统的正常工作,使控制设备和精密仪器工作不可靠,故障率高。 高次谐波的危害具体表现在以下几个方面。 变压器 谐波电流和谐波电压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 谐波同样使电动机铜损和铁损增加,温度上升。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。 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矩,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。 计算机和一些其它电子设备,通常要求总谐波电压畸变率(THD)小于5%,且 个别谐波电压畸变率低于3%,较高的畸变量可导致控制设备误动作,进而造成生 产或运行中断,导致较大的经济损失。 电力电缆 高频谐波电流会在导体中引起集肤效应,产生额外温升增加铜耗。特别是零 序的3次谐波电流在中性线中是相互叠加的,使供电系统中的中性线电流很大, 有的中性线上的电流还会超过相电流,使中性线发热,加速绝缘层老化,甚至引起 火灾。此外当中性线上有较大的谐波电流时,导线的阻抗能产生大的中性线电压 降,干扰各种微电子系统的正常工作。 电力电容器 高次谐波由于频率增大,电容器对高次谐波阻抗减小,因过电流而导致温度 升高过热、甚至损坏电容器;电容器与系统中的感性负荷构成的并联或串联电路, 还有可能发生谐波共振,放大谐波电流或电压加重谐波的危害。经由电容器组电 容和电网电感形成的并联谐振回路,可被放大到10-15倍。 三、 变频器高次谐波污染的解决途径 高次谐波主要通过传导和感应耦合两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;感应耦合是指谐波在传导的过程中,与此电源线平行敷 设的导线又会产生电磁耦合,形成感应干扰。