變頻器諧波干擾的形成及抑制措施

1.序 言

隨著工業自動化的飛速發展，交流調速控制系統因其具有的起動平穩、功率因數高、調速範圍寬等優點，在各個行業均已成功應用，雖然變頻器在工業生產及自動化控制方面具有無可比擬的優越性，但是由於變頻器本身的結構中要進行三相橋式整流、大功率晶體管（IGBT）逆變，結果導致在輸入輸出迴路產生高次諧波電流，對交流電網、負載及同電網中其他電氣設備產生干擾，尤其是在對抗干擾水平要求比較高的儀錶、計算機控制系統等應用中，諧波干擾問題尤為突出。

2.變頻器諧波的形成

諧波是指由於正弦電壓加壓於非線性負載，基波電流發生畸變而產生的諧波。在交流電網中，由於有許多非線性負載的電氣設備的投入運行，造成其電壓、電流波形實際上已經是有所畸變的非正弦波。

變頻器諧波是指變頻器的整流電路一般採用三相橋式整流電路，當變頻器接入已經發生畸變的交流電網，只要電源側有非線性引起的諧波，輸出側通常就含有高次諧波干擾電網。

如圖1所示為變頻器的主電路圖中可以看出，其主電路由交-直-交方式組成，外部輸入220V或380V/50Hz的工頻電源經三相整流橋整流成直流電壓，經大容量的電解電容濾波及IGBT逆變為頻率可變的交流電壓。在三相整流電路中，輸入電流的波形為不規則的矩形波，波形按傅立葉級數分解為基波和各次諧波，諧波次數通常為6n±1次高次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統。

3.高次諧波干擾的危害

諧波電壓和諧波電流的產生，對電網是一種極大的污染，它使得供電系統外的其他用電設備運行條件發生變化，對其工作的穩定性和可靠性甚至使用壽命產生不利影響；干擾系統內的其他電子設備，容易導致電子設備不能可靠的工作，發生故障，影響系統工作的可靠性。變頻器諧波對用電設備產生的危害主要表現在以下幾個方面：

3.1影響變頻器自身的工作性能和使用壽命

當變頻器的輸入電壓發生畸變，其輸入電流峰值就會增大，使得變頻器整流電路及濾波電解電容負擔加重，容易產生過電壓或者過電流，導致變頻器不能正常工作。由於變頻器本身屬於一種電力電子裝置，其內部的各種控制電路很容易受諧波失真影響而誤動作，從而影響變頻器的工作性能和使用壽命。

3.2造成電能的浪費

高頻諧波電流使線路阻抗隨著頻率的增加而提高，對供電線路產生了附加諧波損耗，造成電能的浪費，並且高頻諧波會使電路等效阻抗增加，導致供電線路上的電壓降增大，需要增大輸出電纜的截面積，增加材料成本。

3.3影響電機的正常工作

電動機的定子屬於感性負載存在分散電容，諧波會引起電動機的額外溫升，導致電機的機械效率下降，造成電動機輸出轉矩降低，長時間處於這種運行狀態，會導致電機繞組的介電強度和體積電阻率的下降，引起電機的絕緣強度降低，降低電動機的使用壽命。

3.4對用電設備的影響

諧波會使如計算機、觸摸屏等顯示畫面發生圖形畸變，出現通訊不正常等現象。對於採用單片機控制的一些電子設備，諧波可能使單片機出現死機、莫名其妙複位等故障，或導致輸入和輸出信號的誤動作，影響機器的正常工作，嚴重時會危害機械設備和人身安全。

4.變頻器諧波的抑制對策

根據上文分析，變頻器主迴路採用的電子元器件決定了諧波的存在。近年來，人們越來越重視諧波對供電質量的影響，「綠色電網」的呼聲也越來越高。為了防止諧波對其他用電設備產生干擾，總的原則是抑制和消除電路中的諧波，切斷諧波的傳播通道，降低系統對干擾信號的敏感性。在實際應用中，採取的有效措施主要有兩大類，一是在電網系統中採用適當的措施抑制或消除諧波，二是對變頻裝置本身進行改造，使其盡量少產生諧波。

4.1對交流輸入電源採取的措施

在交流輸入側採取的抑制或消除諧波的方式主要有以下幾種。

（1）加裝隔離變壓器，實際應用中，通常把隔離變壓器加在輸入電源和變頻器之間，隔離變壓器的一次側和二次側兩個線圈沒有直接的電氣連接，通過磁場來進行電-磁-電的轉換，這樣一來，就把變頻器和易受干擾的電氣設備隔離開來，這樣就降低了電網中的有害諧波成份。

（2）可靠的接地，抑制或者消除諧波最有效的措施是接地，目前很多生產廠家的變頻器都採用鐵殼，利用機殼進行屏蔽，這樣既能屏蔽交流調速系統向外傳遞諧波，又能防止外界諧波對變頻器本身的干擾，如圖2所示。

（3）合理布線，通過對強弱電電纜的合理布線，可以有效的降低動力電纜對控制信號線的干擾。應用中需要注意的是變頻器的輸入、輸出線要和其他設備的控制線保持一定的間距。如果控制線和動力線空間上無法分開，應盡量和變頻器的動力電纜垂直交叉。變頻器和電動機之間的動力電纜，應盡量使用屏蔽電纜，如果條件允許，動力電纜穿入已經接地的金屬管內。信號線盡量使用屏蔽雙絞電纜，屏蔽層不論是接公共端還是接地，只能採用單端接地的方式。

（4）加裝電抗器，在變頻器的供電迴路中加裝電抗器是一種十分有效的抑制諧波電流的方法。根據電抗器安裝的位置，主要分為兩種電抗器：直流電抗器和交流電抗器。交流電抗器又稱輸入電抗器，它安裝在變頻器的輸入側，可以抑制和減小變頻器產生的諧波向電網傳遞，同時還可以防止電網電壓波動和衝擊電流對變頻器的影響。

直流電抗器又稱為平波電抗器，直流電抗器串聯在變頻器的直流迴路中。它的功能就是削減電流中的諧波成分，保證整流電流的連續，減小電流的脈動值，提高變頻器的功率因數，減少和防止三相整流橋和濾波電容因為衝擊電流造成的損壞，如圖3所示。

（5）加裝濾波器，這種濾波器是傳統所說的無源濾波器，這種濾波器只能運行某一頻率的電流信號可以順利的通過，而其他頻率段的信號則受到抑制，濾波器實際上是一個選頻電路。濾波器根據安裝位置的不同分為輸入濾波器和輸出濾波器。

輸入濾波器安裝在變頻器的輸入側，它的主要作用是防止變頻器工作時，變頻器輸入端對電網和其它設備產生的干擾。輸出濾波器又叫出線濾波器，安裝在變頻器的輸出和電機之間，它的作用是濾除變頻器輸出電流中的高次諧波，保護電機，避免電機因為高度浪涌電壓造成絕緣破損，如圖4所示。

4.2對變頻器進行升級

對變頻器本身進行升級，使其減少諧波產生的方式主要有以下幾種：

（1）隨著技術的不斷進步，採用有源濾波器進行諧波

抑制是一項十分有效的方法，它用於變頻器的主電路中，用於消除主電路的諧波。有源濾波器工作時實時檢測電路中的諧波電流，通過數字處理器計算後生成與諧波電流幅值相同、但是極性相反的補償電流注入電網，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電路中的諧波成分，從而使電網中的電流只含有基波電流。有源濾波器能對大小和頻率都變化的諧波進行實時跟蹤補償，可以同時濾除多次及高次諧波，不會引起諧振，因而受到特別的關注，並在歐洲等國已得到大量的應用。

（2）調整變頻器的載波頻率

當載波頻率提高後，輸出電流波形正弦性能變好，毛刺減少，波形光滑，對減少諧波有利，所以適當提高載波頻率，對抑制或減少諧波有利。

（3）開發新型變頻器

大容量的變頻器減少諧波的主要方法是採用多重化技術。多重化技術採用2個或多個逆變單元並聯，通過波形疊加抵消諧波分量。採用多重化技術的變頻器不但輸出電壓和流為正弦波，而且輸進電流也為正弦波，且功率因數為1。

5.結論

本文通過對變頻器主迴路的分析，闡述了諧波產生的原因，並提出了對變頻器諧波的抑制措施。但是由於變頻器本身的結構決定了變頻器產生諧波是不可避免的，在實際應用中我們只能儘可能的抑制諧波和減少諧波對外界的影響。本文只提出一部分變頻器諧波的影響和諧波抑制的措施，關於變頻器諧波的研究還有很大的探討空間。