通用变频器应用中的谐波问题及其应对措施

通用变频器应用中的谐波问题及其应对措施杜文蛟（营口市农业工程学校，辽宁营口115009）摘要：针对变频器谐波带来电磁干扰和污染越来越突出的情况，从两个方面论述变频器应用中存在的谐波问题，包括电网谐波对变频器运行的影响和变频器运行产生的谐波电流对其他设备的干扰，并从工程实践的角度出发，提出相应的防治措施。关键词：变频器；谐波；干扰；措施中图分类号：TN773文献标识码：A文章编号：1674-1161(2012)07-0052-03交流变频调速以其优越的性能在设施农业、农产品加工等项目中得到了越来越广泛的应用，在经济相对发达地区，大量的非线性用电设备运行使谐波问题日益凸显出来。变频器应用中的谐波问题涉及到两个方面，一是电网谐波对变频器运行的影响，二是变频器运行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的干扰。本文从变频器工程实际应用出发，针对这两个方面阐述抑制和消除谐波干扰的方法，为提高变频器等设备运行的可靠性和安全性提供参考。1电源谐波对变频器的干扰及其防治1.1干扰的来源1）当电源侧的补偿电容器投入网络时，在暂态过程中，电源电压将出现很高的峰值（如图1所示），可能使变频器整流二极管因为承受过高的反向电压而损坏。2）电网中大容量的换流、变频器等设备投入运行时，其晶闸管总是在每个周期的部分时间导通，是一个典型的非线性设备，会产生大量的谐波，对变频器的正常运行造成影响。1.2防治措施及要求1）输入电抗器。安装在变频器电源输入侧的电抗器，其电感量通常用电抗率（电抗器工作在额定电流、电流频率为50Hz时，电抗器电压降与电网电压的比值）表示。电抗器的特点是价格低；缺点是消除谐波的效果不理想，由于电抗器选择不能大于5%，一般不能使THID（谐波电流畸变率）达到30%以下，主要起到抵制尖峰脉冲的作用。如果要求THID低于30%，可以采用滤波器，由于有源滤波器价格贵、适用面不宽，因此通常采用无源滤波器，可以使THID低于10%。2）无源滤波器。滤波器能有效地抑制谐波的传导干扰。在低压电网中，当THID>10%或谐波电压畸变率THVD>3%时，可考虑安装谐波滤波器。对于不同的谐波源和电气设备，可考虑安装相应的滤波设备。当系统中的变频器是以三相六脉动全波整流为主时，如果谐波次数为K=6N±1（N为自然常数），谐波以5、7次为主，通常采用并联式5次和7次单调谐波滤波器；当系统中的变频器主要用于三相四线中的单相电路时，谐波以相序为零的3次谐波为主，应该安装并联式3次谐波滤波器。对变频器配套使用的谐波滤波器有以下几项要求：①无功补偿。由于谐波的影响，变频器的功率因数低不是由电流滞后电压造成的，因此不能补偿超前无功，否则提高电压，不利于变频器的运行。②电压降落。变频器满负荷工作时，滤波器的电压降落不能过大，否则会使变频器功能异常，缩短变频器寿命。③谐振问题。传统的LC滤波器在调谐频率以下呈容性，可能与系统阻抗发生谐振，放大谐波电流，造成更多危害。收稿日期：2012-05-21作者简介：杜文蛟（1968—），男，硕士，高级讲师，从事电气自动化方面的教学与研究工作。图1补偿电容器投入时的电压畸变Figure1Voltagedistortionincompensatingcapacitor第7期总第217期No．7TotalNo．2172012年7月Jul．2012农业科技与装备AgriculturalScience＆TechnologyandEquipment变频器输入侧安装滤波器，除了具有减少电源谐波的作用，还具有抑制变频器本身向电网输出谐波的能力，在谐波污染严重或对谐波要求较高的情况下，可以考虑安装。2变频器运行产生的谐波及其对策2.1变频器谐波产生原理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。三相桥式整流器是6个可控硅（晶闸管）组成的全桥整流，有6个开关脉冲对6个可控硅分别控制，其输入电流波形如图2所示。忽略三相桥式可控硅整流电路换相过程和电流脉动，假定交流侧电抗为零，直流电感为无穷大，延迟触发角a为零，则交流侧电流傅里叶级数展开为：iA=2×3姨π×Id×(sinαt-15sin5αt-17sin7αt+111sin11αt+113sin13αt-...)（1）由公式（1）可知：电流中含6K±1（K为正整数）次谐波，即5、7、11、13……等各次谐波。各次谐波的有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。从上面的分析可以得出结论：变频器运行过程中，由于非线性元件的存在，与其他的非线性设备一样可以产生谐波电流，并且有自己的