第３２卷２０１４年第６期（总第１７４期） 技术改造与改进 变频器谐波危害及解决方法 李东明【摘的方法。 路振刚 （五矿营口中板有限责任公司 营口 １１５００５） 要】 阐述了变频器的原理、谐波产生的机理及谐波对公用电网的危害，提出了解决变频器谐波问题 【关键词】 变频器谐波危害 解决方法 Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｈａｚａｒｄ ｏｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ＬＩ Ｄｏｎｇ－ｍｉｎｇ，ＬＵ Ｚｈｅｎ－ｇａｎｇ （Ｍｉｎｍｅｔａｌｓ Ｙｉｎｇｋｏｕ Ｍｅｄｉｕｍ Ｐｌａｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｙｉｎｇｋｏｕ］１５ｏｏ５） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｄｅｓｃｉｒｂｅ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｚａｒｄ ｔｏ ｕｔｉｌｉｔｙ ｇｒｉｄ．Ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｔｈｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｈａｒｍｏｎｉｃ，ｈａｚａｒｄ，ｓｏｌｕｔｉｏｎ 随着电力电子技术的发展，变频器的应用１３ 益广泛，变频器产生的高次谐波对电网产生的危 害也是不容忽视的。 １谐波的危害 ２谐波产生的原因 变频器是工业调速传动领域中应用较为广泛 的设备之一。变频器是把工频（５０Ｈｚ）变换成各种 频率的交流电源，以实现电动机的变速运行的设 备。其中控制电路进行主电路的控制，整流电路 将交流电转换成直流电，直流中间电路对整流电 路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆 变成交流电。由于变频器逆变电路的开关特性， 对供电电源形成了一个典型的非线性负载，因此 以变频器为代表的电力电子装置是公用电网中最 主要的谐波源之一。 谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶 级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分 量，通常也称为高次谐波，而基波是指频率与工频 相同的分量。就电力系统中的三相交流发电机发 出的电压来说，可以认为其波形基本上是正弦量， 即电压波形基本上无直流和谐波分量。但由于电 力系统中存在着各种各样的谐波源（谐波源是指 （１）谐波使电网中的元件产生附加的损耗，降 低发电、输电及用电设备的效率，大量的３次谐波 流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。 （２）谐波影响各种电气设备的正常工作，使电 动机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严 重过热，使电容器、电缆等过热、绝缘老化、寿命缩 短以至损坏。 （３）谐波会引起电网中局部的并联谐振和串 联谐振，从而使谐波放大，引起严重事故。 （４）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者 产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使 通信系统无法正常工作。 （５）谐波会导致继电保护和自动装置的误动 作，并使电气测量仪表计量不准确。 向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐 由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用 波电压的电气设备），特别是变流装置等。其中变 电设备和电网本身都造成很大的危害，世界许多 频器的输入侧谐波产生的机理是：凡是在电源侧 国家都发布了限制电网谐波的国家标准，由权威 机构制定限制谐波的规定。世界各国制定的谐波 有整流回路的都产生因其非线性引起的谐波。而 在逆变电路中， 标准大都比较接近。我国由国家技术监督局于 变频器输出侧谐波产生的机理是：输出电压是矩形波。对电 １９９３年发布了国家标准ＧＢ／Ｔ １４５４９－－９３（电能质 对于电压型电路来说，量公用电网谐波》，并从１９９４年３月１日起开始 实施。 一流型电路来说，输出电流是矩形波。矩形波中含 有较多的谐波，对负载会产生不利影响，因此即使 １２— 技术改造与改进 电力系统中电源的电压是正弦波，也会由于非线 性元件的存在使得电网中总有谐波电流或电压的 存在。 ３解决方法 目前谐波的治理可采用以下方法。 （１）变频器的隔离、屏蔽、接地：变频器的供电 电源与其他设备的供电电源应相互独立，或在变 频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器， 或者将变频器放人铁箱内，铁箱外壳接地。同时 变频器输出电缆应尽量远离控制电缆敷设（间距 不小于５０ｒａｍ），必须靠近敷设时尽量以正交角度 跨越，必须平行敷设时尽量缩短平行段长度。输 出电缆应穿钢管并将钢管作电气连通并可靠 接地。 （２）加装交流电抗器和直流电抗器：配电变压 器容量大于５００ｋＶＡ，且变压器容量大于变频器容 量的１０倍以上时，应在变频器输入侧加装交流电 抗器。而当配电变压器输出电压三相不平衡，且 不平衡度大于３％时，变频器输人电流峰值很大， 会造成导线过热，此时则需加装交流电抗器。严 重时需加装直流电抗器。 （３）加装无源滤波器：将无源滤波器安装在变 频器的交流侧，无源滤波器由Ｌ，ｃ，Ｒ元件构成谐 波共振回路，当Ｌｃ回路的谐振频率和某一高次谐 波电流频率相同时，即可阻止高次谐波流人电 网。无源滤波器特点是投资少、效率高、结构简 单、运行可靠及维护方便。无源滤波器缺点是滤 波效果易受系统参数的影响，对某些次谐波有放 大的可能、耗资多、体积大。 ・ （４）加装有源滤波器：早在上世纪７０年代初， 日本学者就提出有源滤波器的概念，有源滤波器 通过对电流中高次谐波进行检测，根据检测结果 输入与高次谐波相位相反的电流，达到实时补偿 谐波电流的目的。与无源滤波器相比具有高度可 控性和快速响应性，有一机多能特点。且可消除 与系统阻抗发生谐振危险。也可自动跟踪、补偿 变化的谐波。但存在容量大，价格高等特点。 （５）加装静止型无功补偿装置：对于大型冲击 性负荷，可装设静止型无功补偿装置，以补偿负荷 快速变动的无功需求，改善功率因数，滤除系统谐 第３２卷２Ｏ１４年第６期（总第１７４期） 波，减少向系统注入谐波电流，稳定母线电压，降 低三相电压不平衡度，提高供电系统承受谐波能 力。而其中以自饱和电抗型（ｓＲ型）的效果最好， 其所用电子元件少，可靠性高，响应速度快，维护 方便经济，我国一般变压器厂均能制造。 （６）线路分开：因电源系统内有阻抗，所以谐 波负荷电流将造成电压波形的谐波电压畸形。把 产生谐波的负荷供电线路和对谐波敏感的负荷供 电线路分开，线性负荷和非线性负荷从同一电源 接口点ＰＣＣ开始由不同的电路馈电，使非线性负 荷产生的畸变电压不会传导到线性负荷上去。 （７）电路的多重化、多元化：逆变单元的并联 多元化是采用２个或多个逆变单元并联，通过波形 移位叠加，抵消谐波分量。整流电路的多重化是 采用１２脉波、１８脉波、２４脉波整流，可降低谐波成 分；功率单元的串联多重化是采用多脉波（如３０脉 波的串联），功率单元多重化线路也可降低谐波成 分。此外还有新的变频调制方法，如电压矢量的 变形调制。 （８）变频器的控制方式的完善：随着电力电子 技术、微电子技术、计算机网络等高新技术发展， 变频器控制方式有了以下发展：①数字控制变频 器，变频器数字化是采用单片机ＭＣＳ５１或 ８０Ｃ１９６ｂｌｃ等，辅助以ＳＬＥ４５２０或ＥＰＬＤ液晶显示 器等来实现更加完善的控制性能；②多种控制方 式结合，单一的控制方式有着各自的缺点，如果将 这些单一控制方式结合起来，可以取长补短，从而 达到降低谐波提高效率的功效。 （９）使用理想化的无谐波污染的绿色变频器： 绿色变频器的品质标准是：输入和输出电流都是 正弦波，输入功率因数可控，带任何负载使都能使 功率因数为ｌ，可获得工频上下任意可控的输出 功率。 ４结束语 综上所述，随着电力电子技术以及微电子技 术的飞速发展，在治理谐波问题上将会迈上一个 新的台阶，将变频器产生的谐波控制在最小范围 之内以达到抑制电网污染，提高电能质量的目的。 （２０１３—１０—２５收稿） 一ｌ３一
