谐波干扰的抑制对策优化

1.增加变频器供电电源的内阻抗

通常情况下，电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用，电源的内阻抗就是变压器的短路阻抗。当电源容量相对变频器容量较小时，则内阻抗值相对较大，谐波含量较小；电源容量相对变频器容量较大时，则内阻抗值相对较大，谐波含量越大。对于西门子系列变频器，当电源内阻抗为4%时，可以起到很好的谐波抑制作用。所以选择变频器供电电源变压器时，最好选择短路阻抗大的变压器。

由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到同一线路上所接的其他负载，引起谐波电流在其上流过。因此，减少谐波危害的措施也可通过加大电缆截面积、减少回路的阻抗等方式来实现。目前，国内较多采用提高变压器的容量，增大电缆截面积，特别是加大中性线电缆截面积，以及选用开断容量较大的断路器、熔断器等保护元件，但此种方式不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，又加大了投资，增大了供电系统的隐患。在变频调速系统的电源设计中可将变频器的供电电源与非线性负载从同一电源接口点（PCC）就开始分路供电，这样可以使由非线性负载产生的畸变电压不会传导到线性负载上去，这是目前治理谐波问题较为理想的解决方案。

2.安装电抗器

安装电抗器实际上是从外部增加变频器供电电源的内阻抗，在变频器的交流侧安装交流电抗器或在变频器的直流侧安装直流电抗器及在变频器的输出侧安装电抗器，可以有效地抑制谐波电流。

（1）输入电抗器

在电源与变频器的输入侧之间串联交流电抗器如图3⁃4所示，可使电源阻抗增大，从而有效地抑制谐波电流，减少电源浪涌对变频器的冲击，改善三相电源的不平衡性，提高输入电源的功率因数（提高到0.75～0.85），进线电流的波形畸变大约降低30%～50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。

图3-4 串联交流电抗器

（2）在直流环节串联直流电抗器

直流电抗器串联在直流中间环节母线中（端子+，-之间），主要是减小输入电流的谐波成分，提高输入电源的功率因数（提高到0.95）。此电抗器可与交流电抗器同时使用，变频器功率大于30kW时才考虑配置。

（3）输出电抗器（电动机电抗器）

由于电动机与变频器之间的电缆存在分布电容，尤其是在电缆距离较长，且电缆较粗时，变频器的逆变器输出的调制方波会在电路上产生一定的过电压，使电动机无法正常工作，可以通过在变频器和电动机间连接输出电抗器来进行限制。串联输出电抗器如图3⁃5所示。

图3-5 串联输出电抗器

在变频器和电动机之间增加交流电抗器的主要目的是减少变频器的输出在能量传输过程中，在线路产生的电磁辐射。该电抗器必须安装在距离变频器最近的地方，尽量缩短与变频器的引线距离。如果使用铠装电缆作为变频器与电动机的连线时，可不使用输出电抗器，但要做到电缆的铠装层在变频器和电动机端可靠接地，而且接地的铠装侧要原样不动接地，不能扭成绳，不能用其他导线延长，变频器侧要接在变频器的接地端子上，并将变频器可靠接地。

3.滤波器

当系统对抗干扰能力要求较高时，为减少对电源的干扰，在电源输入端可加装电源滤波器。传统的方式是选用无源滤波器。无源滤波器出现最早，因其结构简单、投资少、运行可靠性较高以及运行费用较低，至今仍是谐波抑制的主要手段。LC滤波器由滤波电容器、电抗器和电阻器组合而成，与谐波源并联，除具有滤波作用外，还有无功补偿的作用。无源滤波器不能受控，因此随着时间的推移、配件老化或电网负载的变动，会使谐振频率发生改变，滤波效果下降。更重要的是无源滤波器只能过滤一种谐波成分（如有的滤波器只能滤除三次谐波），如果过滤不同的谐波频率，则要分别用不同的滤波器，增加了设备投资。

图3-6 使用专用无源滤波器

于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，有源电力滤波器得以迅速发展。其核心部分是谐波电流发生器与控制系统，即其工作靠数字信号处理（DSP）器控制双极晶体管（IGBT）来完成。

在变频器输入、输出电路中，采用滤波器可以抑制变频器产生的电磁干扰噪声的传导，也可抑制外界辐射干扰以及瞬时冲击、浪涌对变频器的干扰。根据使用位置的不同可以分为输入滤波器和输出滤波器。而输入滤波器有两种：线路滤波器和辐射滤波器。

1）线路滤波器串联在变频器输入侧，由电感线圈组成，通过增大电路的阻抗减小频率较高的谐波电流。在使用外控端子控制变频器时，如果控制回路电缆较长，外部环境的干扰有可能从控制回路电缆侵入，造成变频器误动作，此时将线路滤波器串联在控制回路电缆上，可以消除干扰。

2）辐射滤波器并联在电源与变频器输入侧，由高频电容器组成，可以吸收频率较高、具有辐射能量的谐波成分，用于降低辐射噪声。

输出滤波器串联在变频器输出侧，由电感线圈组成，可以减小输出电流中的谐波成分，抑制变频器输出侧的浪涌电压，同时可以减小电动机由高频谐波电流引起的附加转矩。输出滤波器从结构上分为LR滤波器单元和LC滤波器单元两种，如图3-7所示。

图3-7 LR滤波器单元和LC滤波器单元

4.多脉冲晶闸管整流电路

通用变频器为六脉波整流器，因此产生的谐波较大。如果采用变压器多相运行，使相位角互差30°，如Y-Δ、Δ-Δ组合的变压器构成12脉波整流，12脉冲晶闸管整流电路由两组晶闸管整流桥串联而成，分别由输入变压器的两组二次侧（星形和三角形，互差30°电角度）供电。这种整流电路的优点是把整流电路的脉冲数由6脉冲提高到12脉冲，大大降低了5次和7次谐波电流。因为对晶闸管整流电路而言，谐波电流近似为基波电流的1/h倍（h为谐波次数，h=n×p±1，其中n是自然数，p为脉冲数），可减小低次谐波电流28%，起到了很好的谐波抑制作用。12相脉冲整流THDv大约为10%～15%，虽然12脉冲整流电路的谐波电流比6脉冲结构大大下降，但也不能达到IEEE519-1992标准规定的在电网短路电流小于20倍负载电流时谐波电流失真小于5%的要求。(www.xing528.com)

18脉冲晶闸管整流电路由三组晶闸管整流桥串联而成，变压器三组二次侧均为三角形，互差20°电角度。这个整流电路具有12脉冲结构的优点，其总谐波电流失真小于5.6%，总谐波电压失真小于2%，基本符合IEEE519-1992标准规定，无需安装谐波滤波装置。其缺点是需要专用变压器和整流器，不利于设备改造，价格较高。

普通电流源型变频器的输出电流不是正弦波，而是120°的方波，因而三相合成磁动势不是恒速旋转的，而是步进磁动势，它和基本恒速旋转的转子磁动势产生的电磁转矩除了平均转矩以外，还有脉动分量。转矩脉动的平均值为0，会使转子的转速不均匀，产生脉动，在电动机低速时，还会发生步进现象，在适当的条件下，可能引起电动机与负载组成的机械系统共振。脉动转矩主要是由基波旋转磁通和转子谐波电流相互作用产生的。在三相电动机中，产生脉动转矩的主要是6n±1次谐波。电流型变频器（6脉冲）的输出电流中含有丰富的5次和7次谐波，5次谐波产生的旋转磁动势与基波旋转磁动势反向，7次谐波产生的旋转磁动势与基波旋转磁动势同向，而电动机转子的电气旋转速度基本接近基波磁动势的旋转速度（两者的判别对应于电动机的转差率），所以5次谐波磁动势和7次谐波磁动势都会在电动机转子中感应产生6倍于基波频率的转子谐波电流。在基波旋转磁动势和6倍频的转子谐波电流共同作用，产生6倍频的脉动转矩，所以电流型变频器（6脉冲）含有较大的6倍频脉动转矩。同样，11次和13次谐波电流也会产生一个12倍频的脉动转矩。

电流源型变频器采用12脉冲多重化后，输出电流波形更接近正弦波，由于5次和7次谐波大大降低，6倍频率脉动转矩大大减小，剩下的主要为12倍频的脉动转矩，总的转矩脉动明显降低。

普通的二电平和三电平PWM电压型变频器由于输出电压跳变台阶较大，相电压的跳变分别达到直流母线电压或直流母线电压的一半，同时由于逆变器功率器件开关速度较快，会产生较大的电压变化率，即du/dt。较大的du/dt会影响电动机的绝缘，尤其是当变频器输出与电动机之间的电缆距离较长时，由于线路分布电感和分布电容的存在，会产生行波反射作用，du/dt会放大，在电动机端子处可增加一倍以上，使电动机绝缘损坏。所以这种变频器一般需要特殊设计的电动机，电动机绝缘必须加强。如果要使用普通电动机，必须附加输出滤波器。

在PWM电压型变频器中，当输出电压较高时，通常采取三电平PWM方式，也称NPC（Netural Point Clamped中点（钳位）方式，整流电路一般采用二极管，逆变部分的功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。与普通的二电平PWM变频器相比，由于输出相电压电平数增加到3个，每个电平幅值相对下降，且提高了输出电压谐波消除算法的自由度，可使输出波形质量比二电平PWM变频器有较大的提高。为了减少输出谐波，希望有较高的开关频率，但会导致变频器损耗增加，效率下降，开关频率一般不超过2kHz。如果不加输出滤波器，三电平变频器输出电流总谐波失真可以达到17%左右，不能使用普通的异步电动机。

由于变频器输出谐波会引起电动机附加温升，电动机容量必须适当放大，热参数降低使用。谐波使电动机振动，噪声增加，电动机应采取低噪声设计并避免可能产生的振动，临界转速必须避开整个工作转速范围。转矩脉动产生的应力集中可能使电动机部件损坏，电动机关键部位必须加强。定、转子槽形应不同于标准电动机，以减少谐波引起的铜耗。采取绝缘轴承，必要时在轴上安装接地碳刷以避免轴电流使轴承损坏。由于普通变频器的输出波形中含有谐波成分，因趋肤效应而使线路等效电阻增加，同时，在逆变器低频输出时，输出电压跟着降低，线路压降占输出电压的比例增加，因此输出电缆的截面积应当比普通接线时放大一级。

5.变频器拓扑和控制方式的优化

单一的控制方式有着各自的缺点，如果将这些单一的控制方式结合起来，可以取长补短，从而达到降低谐波、提高效率的功效。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逆变器构成四象限交流调速用变频器。这种变频器不但输出电压、电流为正弦波，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。变频器中应用的低谐波技术可归纳如下：

1）逆变单元的并联多重化，采用2个或多个逆变单元并联，通过波形叠加抵消谐波分量。

2）整流电路的多重化，在PWM变频器中采用12脉冲、18脉冲或者24脉冲的整流，以减少谐波。

3）逆变单元的串联多重化，采用30脉冲的串联逆变单元多重化线路，其谐波可减到很小。

4）采用新的变频调制方法，如电压矢量的菱形调制等。目前，许多变频器制造厂商已非常重视谐波问题，在设计时已从技术手段上保证了变频器的绿色化，从而在根本上解决谐波问题。

6.变频器的谐波治理与无功功率补偿的意义

在电流型变频器的整流电路中，中间直流环节的电压正比于电动机线电压额定值乘以运行点电动机实际的功率因数，再乘以转速百分比。所以，对于二次方转矩负载，直流环节电压会随着转速的下降而很快降低，所以输入整流电路必须将触发角后移，这样导致输入功率因数很快下降。另一个解释是，由于整流器电流和逆变器电流一般相等，负载所需的无功电流会直接“反射”到电网，导致输入功率因数较低。根据变频器输入、输出功率关系，有：

对电流型变频器有I_in=I_out，所以

式中，U_in为变频器输入电压；U_out为变频器输出电压；I_in为变频器输入电流；I_out为变频器输出电流；cosϕ₁为变频器输入功率因数；cosϕ₂为变频器输出功率因数；f为变频器输出频率；f_nom为变频器输入频率，即电源频率；η为变频器效率。

从基波无功电流、谐波和间谐波电流的危害可以看出：采用就地谐波治理与无功功率补偿可以获得最大的效益。根据变频器分类，变频器供电系统的就地谐波治理与无功功率补偿装置分为：

1）含各次滤波器的TSC动态无功功率补偿装置。

2）6%电抗的TSC动态无功功率补偿装置。

3）固定投入各次滤波器的装置。

（1）交-直-交电流型变频器

电网通过晶闸管三相全控桥给变频器供电，功率因数角约等于控制角α。供电电流包含6k±1次谐波（k=1、2、3…），并且在直流电流无脉动的理想情况下，n次谐波电流含量是基波电流的1/n。实际上，直流电流脉动导致5次谐波和7次谐波含量增加，大于7次谐波的谐波含量减少。就地实现谐波治理和无功功率补偿是安装含各次滤波器的TSC动态无功功率补偿装置。装置中计算机根据基波无功功率投入一定数量的5次、7次、11次和13次滤波器。滤波器对基波呈容性，补偿基波无功功率；滤波器对谐波呈现很小的感性，滤除各次谐波的无功功率。

（2）交-交变频器

电网通过晶闸管三相可逆整流桥给变频器供电，功率因数很低。电流中不仅包含6k±1次谐波（k=1、2、3…），还在谐波附近出现间隔为变频器输出频率的间谐波。用5次、7次、11次和13次滤波器可以滤除谐波，但是滤波器对一些间谐波呈容性，必然产生间谐波放大现象。就地实现谐波、间谐波治理和无功功率补偿是安装6%电抗的TSC动态无功功率补偿装置，特点是对5次和5次以上的谐波和间谐波都呈感性，没有谐波放大现象；对5次、7次谐波和5次、7次谐波附近的间谐波也有一定的滤波效果。

（3）交-直-交电压型变频器

电网通过三相二极管整流桥给变频器供电，功率因数大于0.97。由于二极管整流桥仅在网压峰顶开通，对电容器充电，电流波形是导通角较窄的尖锋。供电电流包含6 k±1次谐波（k=1、2、3…），谐波含量随进线电抗和直流滤波电抗的电感量的增加而减少。一般来说，增加电抗器后5次谐波、7次谐波、11次谐波和13次谐波仍然占40%、35%、25%和20%。可以安装含各次滤波器的TSC动态无功功率补偿装置。