摘要：采用变频器驱动的电动机系统因其功率因素高、节能效果明显、集自动控制、起动平稳、调速范围宽和维护简单等优点而得到越来越多的应用，如变频空调和恒压供水变频装置等。在实际使用过程中，经常会遇到变频器谐波干扰问题，通过对变频器结构类型分析其谐波产生的原因，对电网和邻近设备造成的干扰危害，提出了抑制谐波干扰的对策，并实例阐述了变频器在安装使用过程中抑制干扰的具体措施。
论文关键词：变频器,应用,谐波干扰,产生机理,抑制
由于变频器中普遍使用了晶闸管或整流二极管等非线性整流器件，工作过程中，会在输入输出回路中产生电流高次谐波，由于使用功率较大，其产生的谐波对电网将产生严重的传导干扰，引起电网电压畸变（电压畸变率用THDV表示，变频器产生的谐波引起的THDV在10%～40%左右），干扰供电系统、负载和其他邻近电气设备，影响电网的供电质量。由于变频器控制的一般都是大功率的机电设备，如果变频器的干扰问题解决不好，不但系统无法可靠运行，还会影响其他电子、电气设备的正常工作，因此有必要对变频器应用中的干扰问题进行探讨，以促进进一步推广应用。
1.变频器的分类
从结构来看，变频器可分为间接变频和直接变频两类。间接变频将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流；直接变频器则将工频交流变换成可控频率的交流，没有中间的直流环节。目前应用较多的还是间接变频器，间接变频有三种不同的结构形式：
（1）用可控整流器变压，用逆变器变频，调压和调频分别是在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。
（2）用不控整流器整流斩波器变压、逆变器变频，这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽调压。
（3）用不控整流器整流，PWM逆变器同时变频，这种变频器只有采用可控关断的全控式器件（如IGBT等）输出波形才会非常逼真的正弦波。
2.变频器谐波产生机理
2.1谐波的定义对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值(n=fn/f1)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波(Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”[1]。
2.2 输入侧产生谐波机理无论是哪一种的变频器，变频器电源侧的整流回路都大量使用了晶闸管等非线性电子元件，不管采用哪种整流方式，由于晶闸管整流装置采用移相控制，从电网中吸取能量的方式均不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流反馈回电网，与系统阻抗形成脉动电压，与电网中原有电压叠加，使得电网电压波形发生畸变。这种非同期正弦波电流，是由频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成，其中高次谐波将干扰输入供电系统。
2.3 输出侧产生谐波机理在逆变输出回路中，由于在逆变过程中利用高速半导体开关来产生一定宽度和极性的脉冲宽度调制PWM控制信号(PWM是英文“Pulse Width Modulation”的缩写)，输出电流是受PWM控制信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变元件，其PWM的控制频率为2～3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高控制频率可达15kHz。因此输出回路电流信号可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，高次谐波电流直接对负载产生干扰，还产生较强的电磁场通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。
3.谐波的干扰分析
3.1 变频器产生的谐波的传播途径变频器产生的谐波的传播途径有五种：一是沿着输入线路向上传导进入输入电路，继而对同一电源上的其他用电电器产生干扰；二是沿着输出线路向下传导，进入终端负载，继而对终端负载产生不良影响；三是整流部分和逆变部分产生的高次谐波电流，通过电缆向空间辐射、干扰邻近电气设备；四是通过电磁感应传播；五是通过线路间的分布电容，传播到邻近的线路中去。
3.2 变频器电磁干扰途径变频器能产生功率较大的谐波，由于功率较大，对系统其他设备干扰性较强，其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的，主要分传导、电磁辐射、感应耦合。
电磁干扰一是对周围的电子、电气设备产生电磁辐射。二是对直接驱动的电动机产生电磁噪声，使得电机铁耗和铜耗增加，并传导干扰到电源，通过配电网络传导给系统其他设备。三是变频器对相邻的其他线路产生感应耦合，感应出干扰电压或电流，对同源或邻近的线路造成干扰[2]。
3.3 谐波对电机及驱动负载的影响一般工频电源供电的电动机，因为定子电压和电流都是标准的正弦波，不含谐波成分，所以运转平稳，无脉动。但当变频器对电机供电时，如果变频器的输出电流含有谐波成分，电机的转矩就会产生脉动。以六相电流型变频器为例，其输出电流波形中包含6k+1次(k=1，2…）的高次谐波，因而电动机就会产生频率为定子电流基本频率6k倍的脉动转矩。对一般负载，这样大小的脉动转矩影响不大。但如果电机要求在低速下运行(＜2Hz)时，有可能导致转速不均匀，会对设备造成潜在的损伤并产生噪音，因此有必要事先作出转矩分析，避免上述情况发生。
谐波对电机的影响除产生机械振动、噪声和过电压，导致电机转矩降低，还会引起附加损耗，使电机温度上升，过热甚至烧毁。
4.抑制谐波干扰的对策
谐波的传输途径是传导和辐射，解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离，解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。因此在配电系统中，尽管可以采用D/Y型变压器限制部分三次谐波返回电网，但主要抑制谐波的方法是采用滤波器。
4.1 谐波综合治理采取的技术措施谐波综合治理采取的措施，一是抑制谐波电流的发生与注入。二是改善装置的功率因素与无功功率补偿，三是合理选择滤波装置的最佳安装位置。四是消除电磁干扰和电磁兼容性；五是多种补偿功能一体化处理[3]。
4.2 抑制变频器干扰的具体方法一是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；二是在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器，或安装谐波滤波器，滤波器的组成必须是LC型，吸收谐波和增大电源或负载的阻抗，达到抑制谐波的目的；三是电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用钙装电缆，形成辐射屏蔽层，可以衰减大部分谐波辐射，另外与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设，避免辐射干扰；四是信号控制线采用屏蔽线，且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离(至少30cm以上)，切断辐射干扰；五是变频器的接地端E应与大地良好的连接,当变频器和其他设备或多台变频器一起接地时,每台设备应单独与地连接,而不允许将一台设备的接地端和另一台的接地端连接后再接地,以减少空间的辐射和设备之间的相互干扰,使设备正常运行。六是多台变频器同时工作时，尽可能的要将变频器安装在不同的控制柜内，变频器的控制线要远离其他变频器的主电路。防止与其他变频器的主电路平行布线[4]。
5.抑制策略实例
在实际使用过程中，经常会遇到变频器谐波干扰问题，下面就如何抑制变频器间产生的辐射干扰和机泵间产生的高次谐波干扰进行探讨。
5.1变频器间产生的辐射干扰某医院新建门诊大楼的中央空调由2台变频器组成的变频控制系统，设计图的2台变频器安装在同一控制柜体内，变频器调频方式均为电位器手调方式，在安装调试过程中发现运行某1台变频器时，工作正常，但当2台同时运行时，出现频率互相干扰现象，即调节一台变频器的电位器对另一台变频器的频率有影响，反过来也是一样。通过初步分析，可能是电位器及控制线路故障，但在排除这种可能后，断定是谐波干扰引起的。针对这种情况，把其中一台变频器移出控制柜远离到其他位置固定，且将控制线改用具有屏蔽信号的电缆线，调试结果干扰明显减弱。为了彻底抑制干扰，重新制作1个电控柜，并与原柜体保持一定的位置放置，把其中1台变频器移到该电控柜，相应的接线及控制线作必要的改动，经过处理后干扰基本消除，故障排除。
5.2 机泵产生的高次谐波干扰某给水所升级改造采用变频调速恒压供水系统，切换2套大型机泵，原先机泵是靠自耦降压启动工频运行正常，后改为变频方式运行，使用过程中发现虽能实现调频减速功能，但变频器输出端到电动机间的输出线出现发热，电动机外壳温升加剧现象，经常出现保护跳闸。经分析认为可能是由于变频器输出电压和电流信号中包含PWM高次谐波，而谐波电流在输出导线和电动机绕线上形成附加功率损耗。于是把变频器的输入线与输出线分开足够的距离，将输入和输出线分别安装在不同的电缆沟内，并选用截面比原有电缆大一级的电缆替换，此外输出端至电动机之间的电缆长度尽可能短，以减少干扰，经过这样处理后，发热故障排除。
6.结束语
变频器在使用过程中，为了防止谐波干扰，除了上述方法外，还应在设计阶段就注意变频器的安装场所、安装位置、输入输出线路的隔离方式等问题，在设备排列布置时，应该注意将变频器单独布置，尽量减少可能产生的电磁辐射干扰。在实际工程中，由于受到房屋面积的限制往往不可能有单独布置的位置，应尽量将容易受干扰的弱电控制设备与变频器分开，比如将动力配电柜放在变频器与控制设备之间。施工中严格按照设计图要求和有关规范标准进行施工，以保证系统能在特定环境中可靠运行。对谐波成分及幅度要求很严的设备，彻底抑制高次谐波干扰非常困难，有待进一步攻关解决。
参考文献
[1]吴竞昌，《供电系统谐波》[M]，北京中国电力出版社，1998.5
[2]肖湘宁徐永海，《电力系统及其综合治理》[J]，中国电力，1998.4
[3]韩安荣.通用变频器及其应用[M ].北京:机械工业出版社,2004.6
[4]王兆安，杨君，《谐波抑制和无功功率补偿》[M]，北京，机械工业出版社，1999
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