第３Ｏ卷第２期 江 西 科 学 Ｖｏ１．３０ Ｎｏ．２ ２０１２年４月 ＪＩＡＮＧＸＩ ＳＣＩＥＮＣＥ Ａｐｒ．２０１２ 文章编号：１００１—３６７９（２０１２）０２—０２３８—０３ 变频器谐波产生的原因与抑制措施 林 海 燕 （新余钢铁有限责任公司建辉监理公司，江西新余３３８００１） 摘要：变频器谐波是变频器运行过程中，在输入输出回路产生的高次谐波。首先阐述了变频器谐波产生机理； 其次，分析了变频器谐波产生干扰的传播途径；同时，对变频器谐波对电力设备或电力系统的主要危害进行了 深入的探讨。最后，结合实际应用和调试经验，介绍了一些抑制干扰的有效措施。 关键词：变频器；谐波；抗干扰；接地 中图分类号：ＴＭ９２１．５１ 文献标识码：Ａ Ｓｏｍｅ Ｖｉｅｗｓ ｏｎ Ｎｏｉｓｅ ａｎｄ Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｗａｖｅ ＬＩＮ Ｈａｉ・－ｙａｎ （Ｊｉａｎｈｍ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ Ｌｔｄ．，Ｊｉａｎｈｕｉ Ｘｉｎｙｕ Ｉｒｏｎ＆Ｓｔｅｅｌ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｊｉａｎｇｘｉ Ｘｉｎｙｕ ３３８００１ ＰＲＣ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｗａｖｅ，ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｔｈａｔ ｃｉｒｃｕｌａｔｅ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｉｓ ｉｎｐｕｔｉｎｇ ｔｏ ｏｕｔｐｕｔ ｈａｒ— ｍｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｃｋ ｔｒａｃｋ ｃｒｅａｔｉｏｎ，Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｗａｖｅ ａｒｅ ａｎａｌｉｅｄ ａｎｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｗａｖｅ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｏｆ ｈｔｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｎｌｅ ｔｉｍｅ，ｃａｒｒｉｅｄ ｏｎ ａ ｔｈｏｒｏｕｇｈ ｓｔｕｄｙ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｍａｉｎ ｈａｒｍ ｏｆ ｗａｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ｏｒ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ． ｅ ｅｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ａｎ ａｃｔｕａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔｓ ｔｏ ｔｒｙ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｓｏｍｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｈａｔ ｒｅｐｒｅｓｓ ｉｎｔｅｒｆｅｒ— ｅｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，Ｈａｒｍｏｎｉｃ ｗａｖｅ，Ｎｏｉｓｅ ａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ ｓｈｉｅｌｄ，Ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ０ 前言 为正常生产的必要前提。 随着电力电子技术的快速发展，采用变频器 １ 变频器谐波介绍 驱动的电动机系统，因其节能效果显著、调速范围 １．１变频器系统介绍 广、稳定可靠、维护简单，而在工业中得到广泛应 新余钢铁公司炼钢厂采用的变频器是电压源 用，在人们享受它便捷的同时，变频调速技术对电 型变频器，其逆变器输出通常都是正弦波脉宽调 机与电网带来的不利影响，如损耗增加、效率降 制（ＳＰＷＭ）方式，输出电压除了正弦形基波外，还 低、转矩脉动、振动和噪声增加、谐波干扰、电机温 有千赫数量级（可达几十千赫）的高频成分，谐波 度升高、临界转速低、电机过电压等问题受到越来 引起电机的铁损和铜损增加，若维持额定转矩运 越多的技术人员的关注【ｌ Ｊ。江西新余钢铁公司 行可能就会因温升过高而缩短绝缘寿命。 炼钢厂大量使用变频器，抑制谐波，减少危害，成 收稿日期：２０１２—０２—２９；修订日期：２０１２一ｏ３－２９ 作者简介：林海燕（１９７９一），女，广东化州人，大学本科，自动化工程师，主要从事电气、仪表设备工程监理工作。 第２期 １．２变频器谐波介绍 林海燕：变频器谐波产生的原因与抑制措施 。２３９・ 新余钢铁有限责任公司炼钢厂有３座１００ ｔ 顶底复吹转炉，２座板坯和２座６机６流方坯连 铸机，设计年产量为４００万ｔ的现代化炼钢厂。 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。每个谐波都具有不同 的频率、幅度与相角。谐波可以分为偶次与奇次 谐波，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。 谐波产生的原因主要是由于电力系统中存在非性 线元件及负载，当电流流经它们时，与所加的电压 炼钢厂自动化控制系统中所使用各种类型的计算 机系统、仪器仪表、ＰＬＣ控制系统，部分设备集中 安装在控制室，部分安装在生产现场，它们处在强 电电路和变频器电路所形成的恶劣谐波环境中。 要提高自动控制系统的可靠性，一方面要求自动 不线性关系，使电压、电流波形发生畸变，从而产 生谐波 Ｊ。谐波源是指向公用电网注人谐波电 流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备，其 中主要的谐波源是各种电力电子装置，如整流装 置、交流调压装置。变频器的主电路一般为交一 直一交组成，外部输入３８０ Ｖ／５０ Ｈｚ的工频电源 经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波 控制系统生产厂家提高设备的抗干扰能力；另一 方面，要求企业在使用维护中高度重视，多方配 合，有效增强系统的抗干扰性能。转炉倾动、一次 除尘风机、连铸机等驱动部分由交流变频器和电 机组成。在投产使用后曾经发生过转炉倾动失控 事件，转炉倾动装置是转炉的心脏部件，直接关系 着转炉正常安全生产。倾动系统中采用ＳＩＥ— 电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可 变的交流信号。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，其中的高次谐波将干扰输人供电 ＭＥＮＳ公司的产品，每座转炉倾动变频控制系统 由一座８００ ｋＷ四象限运行的整流回馈装置，４套 ９０ ｋＷ逆变器通过公共直流母线构成。开始认为 系统。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２～３ ｋＨｚ，而 ＩＧＢＴ大功率逆变元件的ＰＷＭ最高载频可达ｌ５ 是编码器及控制线故障，排除这种可能后，断定是 谐波干扰引起。 次除尘风机变频控制系统，未改造前是靠 一自耦降压启动工频运行正常，后为节能降耗改为 变频器控制运行，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发热较严重，电动 ｋＨｚ。同样，输出回路电流信号也可分解为只含 正弦波的基波和其它各次谐波，而高次谐波电流 对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆 机外壳温升加重，经常出现保护跳闸，严重时还发 生电机烧损事件。联系厂家，分析数据，查找相关 文献，认为主要是由于逆变器输出的电压脉冲在 向空间辐射，谐波治理干扰邻近电气设备。 １．３谐波的危害 理想的公用电网所提供的电压应该是单一而 逆变器和电机之间的连接电缆两端的多次反射造 成的。在连接电缆中，脉冲向电机传输的过程中， 由于电缆和逆变器及电机的特性阻抗不匹配，电 缆中会同时出现电压入射波和从电机端部反射回 来的向逆变器方向传输的反射波＿３】，导致电机端 部电压出现脉冲幅值增加和振荡现象。由于电机 的端部输入阻抗比电缆的特性阻抗大得多，反射 系数接近１，使电机端部电压的峰值近似达到２ 倍的直流母线电压。过电压有２个特点一是峰值 固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐 波电压的出现，对公用电网是一种污染，对其它控 制系统的控制也可以造成严重影响和不良后果。 由于变频器的迅速发展使得公用电网的谐波污染 日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断 发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。 谐波对公用电网和其它系统的危害大致有以下几 个方面：（１）产生附加的谐波损耗，降低了电能的 升高，二是衰减的高频振荡。 生产、传输和利用的效率；（２）使电气设备过热、 产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短， 甚至发生故障或烧毁；（３）引起电力系统局部并 ２ 变频器的谐波治理方案 谐波的传播途径是传导和辐射，解决传导干 联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器 等设备烧毁；（４）使某些电气测量仪表受谐波的 影响而造成误差；（５）干扰邻近通信系统、载波遥 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。以下介绍几种新余钢铁有限责任公司 （下转第２４８页） 控设备，降低通信质量。 ・２４８・ 江西科学 ２０１２年第３０卷 （上接第２３９页） ． 炼钢厂使用过的谐波治理具体方案。 滤波器一方面起到改善电网的平衡度，提高传动 ２．１隔离干扰源。减少谐波侵入 系统的性能，维护电机的使用周期，另一方面也保 针对转炉倾动失控事件；采取了隔离的方法。 证了电机稳定运行，满足生产的要求。为了抑制 所谓隔离干扰，是指从电路上把干扰源和易受干 谐波，可以选择在电源与变频器输入侧之间加装 扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。首 滤波器。通过仿真和实验数据，它具有以下主要 先将变频系统的供电电源与其它设备的供电电源 功能作用：（１）增大输入阻抗来有效抑制高次谐 相互独立。在变频器的输入侧安装隔离变压器， 波电流；（２）减少电源浪涌对变频器的冲击；（３） 切断谐波电流。其次将电动机和变频器之间的电 减少三相电源不对称对变频器的影响，提高输入 缆全部加穿钢管敷设，电缆屏蔽层采取单端接地， 电源的功率因数；（４）降低进线电流的波形畸变 电缆并与其它弱电信号在不同的电缆沟分别敷 率。也可以选择在变频器输出侧安装滤波器，它 设，避免辐射干扰，尤其是与电机编码器电缆有效 具有以下主要功能作用：降低变频器ＩＧＢＴ开关 隔离。信号线采用屏蔽线，且布线时与变频器主 时的电压峰值及ｄ ／ｄ。值；减少电缆容性充电电 回路控制线错开一定距离（至少２０ ｃｍ以上），切 流，增加电缆的临界长度。 断辐射干扰。再次检查了变频控制系统的信号线 的绝缘电阻，更换了破损的屏蔽线。最后再认真 ３ 结束语 仔细地检查了变频器的专用工作接地线，将它与 在人们节能意识日渐增强的今天，只要清楚 电源地、信号地、屏蔽地分开。采用上述措施后， 地认识变频器谐波产生的原因与危害，正确掌握 转炉倾动系统运行正常，没有出现过倾炉失控事 抑制谐波的方法，就可以将变频器产生的谐波控 件。 制在最小范围内，达到科学合理用电，严格抑制电 ２．２改造电力电子装置，减少谐波含量 网污染，提高电源质量。使电力电子技术和变频 针对一次除尘风机电机损坏事件，进行了改 调速在工业生产和日常生活中发挥更大的作用。 造，增加辅助控制策略来减少或消除谐波，主要采 用的技术方法有：（１）在变频器交流输入侧设置 参考文献： 交流电抗器，增大整流阻抗使整流重叠角增大，减 ［１］吴忠智，吴加林．中（高）压大功率变频器应用手册 小高次谐波；（２）在整流桥和滤波电容之问串联 ［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００３． 直流电抗器进行滤波，提高功率因素。 ［２］蒋守松，李俊历．变频器的几个重要功能［Ｊ］．能源 ２．３安装电力滤波器，提高滤波性能。 工程，２０００，（２）：６７—６８． 为了降低变频器输出的高频电压强度或改善 ［３］贾贵玺，吴海欧，张臣堂．高压变频调速技术的研究 电磁兼容性能及电机的运行工况条件，净化电网， 及其应用［Ｊ］．电气传动，１９９９，（４）：１４—１７． 电力滤波器能有效地抑制谐波的传导干扰 Ｊ。 ［４］马小亮．大功率交交变频调速及矢量控制技术 ［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４．