变频器谐波

工业产品

变频器谐波是变频器运行过程中，需要对输入电源用大功率二极管整流（或晶体管/逆变模块）进行逆变；在其逆变过程中，在输入输出回路产生的高次谐波；变频器谐波对供电系统、负载及其他邻近电气设备产生干扰。

定义

通过傅立叶级数对谐波的分析表明，任何周期性变化的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波整数倍数的谐波的正弦波分量。

变频器谐波是一个周期量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，变频器谐波的幅值大小和谐波相对于基波的相位关系都是影响这个周期量的重要因素。通俗地说，基波频率是50HZ，那么谐波就是频率为100HZ、150HZ、200HZ...N*50HZ的正弦波。

产生机理

实际上不限于变频器，晶闸管供电的直流电动机、无换向器电动机等凡是在电源侧有整流回路的，都将产生因其非线性引起的高次谐波。

2.1、变频器输入端谐波产生机理

变频器的主电路一般为交一直一交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压，经电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流电压。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各次谐波，谐波次数通常为6n±1次高次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。如果电源侧电抗充分小、换流重叠角可以忽略，那么n次高次谐波为基波电流的1/n。

2.2、变频器输出端谐波产生机理

在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形。对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2-3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含基波和其他各次谐波。

特性

3.1、变频器谐波有功功率是由非线性负荷产生；

3.2、变频器谐波有功方向与基波有功方向相反，即由用户端送入电网；

3.3、对于变频器谐波源用户而言，其计量入口处的总有功将是基波有功和谐波有功之代数和（实为相减）；

3.4、非线性负荷在其工作过程中将基波的部分功率转变成谐波有功，谐波有功将在网络内流动，并在各输配电元件和其他设备中产生损耗和干扰；

危害

通常来讲，变频器谐波对容量相对较大的电力系统影响不很明显；而对容量小的电力系统，变频器谐波产生的干扰就不可忽视，它对公用电网是一种污染。

变频器谐波污染对电力系统的危害是严重的，主要有以下几个方面：

4.1、变频器谐波降低电力设备使用寿命

如变频器电流谐波将会使变压器的铜损增加。变频器电压谐波将增加铁损，使其温度上升，影响绝缘能力，并造成容量裕度减小。同时变频器谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振。

4.2、变频器谐波影响各电器元件正常工作

变频器输出谐波对电动机的影响有：电机附加发热使电机额外升温；产生机械震动、噪音及过电流。变频器谐波会使电力电容发生过载、过热甚至损坏电容器。当电容器与线路阻抗达到共振时会发生振动、短路、过电流及产生噪声。变频器谐波电流会使开关设备在启动瞬间产生很高的电流变化率，破坏绝缘。

4.3、变频器谐波的其它危害

变频器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；变频器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。

治理

变频器谐波治理应注意下面几个标准：

5.1、抗干扰标准

5.1.1、EN50082-1

5.1.2、EN50082-2

5.1.3、EN61800-3

5.2、辐射标准

5.2.1、EN5008l-1

5.2.2、EN5008l-2

5.2.3、EN61800-3

5.3、其它标准

5.3.1、IECl0003

5.3.2、IECl800-3(EN61800-3)

5.3.3、IEC555(EN60555)

5.3.4、IEEE519-1992。

谐波测量

图1为两电平变频器和三电平变频器输出的电压和电流波形图。

假设SPWM波的载波频率为fc，基波频率为fs，fc/fs称为载波比N，对于三相变频器，当N为3的整数倍时，输出不含3次谐波及3的整数倍谐波。且谐波集中载波频率整数倍附近，即谐波次数为：kfc±mfs，k和m为整数。

图2是基波频率fs=50Hz，载波频率fc=3kHz，调制比为0.8的SPWM的波形及频谱的Matlab仿真图。

图2中58次谐波和60次谐波的幅值分别为27.8%和27.7%，含量最大的谐波为119次和121次谐波，谐波幅值分别为39.1%和39.3%。即最大谐波在两倍载波频率附近。

随着谐波频率的升高，谐波幅值整体呈现下降趋势，按照GB/T22670变频器供电三相笼型感应电动机试验方法的规定，变频电量变送器的带宽应该在载波频率的6倍以上，当载波频率为3kHz时，带宽至少为18kHz，实际使用建议采用30kHz以上带宽的变频功率传感器及变频功率分析仪。

实际的SPWM波，其载波比不一定为整数，此时，为了降低频谱泄露，可适当增加傅里叶窗口长度，对多个基波周期的PWM进行傅里叶变换（FFT或DFT）。

谐波治理

治理变频器谐波问题，抑制辐射干扰和供电系统干扰，可采取屏蔽、隔离、接地等技术手段。

6.1、安装适当的电抗器

在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器，吸收谐波和增大电源或负载的阻抗，达到抑制谐波的目的，以减少传输过程中的电磁辐射。通过抑制谐波电流，将功率因数由原来的(0.5-0.6)提高至（0.75-0.85）；

6.2、电源隔离或安装隔离变压器

将变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立，或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器，切断谐波电流；

6.3、避免干扰辐射

电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆，并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设，避免辐射干扰；

6.4、变频器正确的接地

正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。变频器使用专用接地线，且用粗短线接地，邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开，使用短线，这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰；

6.5、缩短线路长度

缩短线路长度，电源线和信号线单独敷设，避免交叉，不能避免时，必须垂直交叉，绝对不能平等敷设，信号线屏蔽层不接到电机或变频器的地，而应该接到控制线路的公共端；

6.6、安装EMI电源滤波器

当前抑制变频器谐波的一个重要趋势是采用EMI电源滤波器，它串联或是并联于主电路中，实时从补偿对象中检测出变频器谐波电流，由补偿装置产生一个与该变频器谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波电流。EMI电源滤波器能对频率和幅值都变化的变频器谐波进行跟踪补偿，其特性不受系统的影响，无谐波放大的危险，因而获得了广泛的应用；

减少或削弱变频器的方法还有：

（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）选用具有开关电源的仪表等低压电器

（5）信号线与动力线分开配线，尽量使用双绞线降低共模干扰

（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，以增强系统自身的抗干扰能力。

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