浅析变频器谐波的产生原因及抑制

收稿日期:2013-03-01;修回日期:2013-03-18。作者简介:王娜(1973-)，女，辽宁大连人，工程师，工学学士，从事化纤设备自控技术工作。doi:10．3969/j．issn．1008-8261．2013．03．018浅析变频器谐波的产生原因及抑制王娜，杨述英，杨红(大连合成纤维研究设计院股份有限公司，辽宁大连116023)摘要:叙述了变频器的结构特点及谐波相关概念，分析了变频器谐波的产生原因及其危害，并提出了相应的解决办法。关键词:化纤工程;变频器;谐波抑制中图分类号:TN773文献标识码:B文章编号:1008-8261(2013)03-0063-020前言变频器由于其优良的调速性能化和显著的节能效果，近年来在各行各业得到了广泛的应用，同时作为电机传动控制的新型调频调压电源被大量应用于化纤工程电气传动控制系统中，但是不能忽视的是作为电网的负载，变频器在使用过程中所产生的高次谐波给电网带来电磁谐波污染，以及对负载和周围电气装置产生的负面影响正越来越引起人们的关注。1谐波的产生异步电动机的转速由电源频率和极数决定，改变频率，电动机就可以调速运转。变频器应用这种原理，将电压和频率恒定的电网电压变成电压和频率可调的交流电，供给异步电动机，从而达到调速的目的。变频器的核心部分是电力电子器件，大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，其输入输出端都有谐波产生。有关定义［1］:基波(分量):对周期性交流分量进行傅立叶级数分解，得到的与工频相同的分量称为基波。谐波(分量):对周期性交流分量进行傅立叶级数分解，得到的为基波频率大于1的整数倍的分量称为高次谐波，简称谐波。谐波次数:谐波频率与基波频率的整数比。从变频器输入侧来说，其整流桥和电容滤波电路对电源来说是非线性负载，当标准的50Hz正弦波电压加在非线性负载上时，就形成了畸变的非正弦电流:只有电源的线电压大于电容器两端的直流电压时，整流桥中才有充电电流。因此充电电流总是出现在电源电压的振幅值附近，呈不连续的冲击波形式，电流波形为矩形波，按傅立叶级数可分解为含有基波频率和各次谐波的正弦波分量，通常含有6n±1(n=1，2，…)次谐波［2］。该谐波电流会沿着电源侧阻抗和电源系统中并联的其他负载阻抗分流到电源系统和并联的负载中，对电源和同一电网的其他电子电气设备产生谐波干扰。从变频器的输出侧来说，由于逆变电路的开关特性，对其供电电源又形成了一个非线性负载，其输出电压、电流波形均有高次谐波。2谐波干扰途径及危害变频器产生的高次谐波通过传导(电路耦合)、电磁辐射和感应耦合3种方式对电源及邻近用电设备产生谐波污染。传导是指谐波沿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，并干扰到电源。感应耦合是指在传导过程中，与变频器输出线平行敷设的其他线路又会产生电磁耦合形成感应干扰。电磁辐射是指变频器输出端的高次谐波会产生辐射作用，对邻近的无线电及电子设备产生干扰，这是频率很高的谐波分量的主要传播方式。谐波电流和电压会使变压器过热，缩短变压器寿命，降低有效容量，产生噪声。谐波对供电线路产生了附加损耗，由于集肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加而提高，造成电能的浪费。谐波影响各种电气设备的正常工作:谐波会增加电动机的损耗、使温度上升，产生脉动转矩和噪声;由于谐波电流的存在，使开关设备和保护电器误动作，破坏绝缘;高次谐波产生时由于频率增大，会使电力电容器组阻抗瞬间减小，涌入大量电流，导致过热甚至损第26卷第3期2013-05聚酯工业PolyesterIndustryVol．26No．3May2013坏，还有可能发生共振，产生振动及噪声。谐波产生的磁场及电场会干扰邻近的弱电系统，严重的会导致这些系统无法正常工作。尤其对于像计算机网络、通信等弱电系统中的设备，谐波通过传导和感应耦合的方式耦合到这些系统中，产生干扰。传导会通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，干扰系统。3抑制谐波负面效应的方法防止谐波干扰主要从传导、辐射2个方面解决。传导干扰的解决办法是在电路中把高频电流滤掉或隔离［3］。具体常用方法: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。在电源与变频器输入侧之间串入交流电抗器，是一种通常的做法，见图1。针对变频器输入侧产生的高次谐波，交流电抗器的接入使变频器整流阻抗增大，能抑制谐波电流，提高输入电源功率因数，防止电源电压畸变。图1串联交流电抗器Fig．1SeriesACreactor在化纤电气传动控制系统中，挤压机变频调速系统在电源与变频器输入侧串接交流电抗器，不仅能消除电网波动对变频器的影响，同时能有效抑制变频器高次谐波对电网的污染。如果要求更高的标准，可以采用由LC电路组成的滤波器，滤波器可以接在交流输