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【摘要】本文针对变频器运行中产生谐波干扰，分析了谐波的形成及其危害，给出了在实际应用中几种有效抑制谐波的方法及消弱变频器谐波对周边设备干扰的对策。
【关键词】变频器 谐波 晶闸管 非线性 IGBT
1谐波的产生
谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。从结构上来看，变频器有间接变频器和直接变频器之分。间接变频器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。而直接变频器是将工频电流直接变换成可控频率的交流，没有中间的直流环 节。它的每相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆电路。正反两组按一定周期相互切换，在负荷上就获得了交变输出的电压U0， U0的幅值决定于各整流装置的控制角， 频率决 定于两组整流装置的切换频率。
2 谐波的危害
（1）谐波使电网中的电器元件产生了附加的谐波损耗，降低了输变电及用电设备的效率。（2）谐波可以通过电网传导到其它的用电器，影响了许多电气设备的正常运行，比如谐波会使变压器产生机械振动，使其局部过热，绝缘老化，寿命缩短，以至于损坏；还有传导来的谐波会干扰电器设备内部软 件或硬件的正常运转。（3）谐波会引起电网中局部的串联或并联谐振，从而使谐波放大。（4） 谐波或电磁辐射干扰会导致继电器保护装置的误动作，使电气仪表计量不准确，甚至无法正常工作。（5）电磁辐射干扰使经过变频器输出导线附近的控制信号、检测信号等弱电信号受到干扰，严重时使系统无法得到正确的检测信号，或使控制系统紊乱。
3抑制谐波的对策
抑制谐波的方法很多，各有优缺点。（1）增加变频器供电电源内阻抗通常电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用，内阻抗越大，谐波含量越小，这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。因此选择变频器供电电源时，最好选择短路阻抗大的变压器。（2）输入电抗器在变频器的输入电流中，频率较低的谐波分量（5次谐波、7次谐波、11次谐波、13次谐波等）所占的比重是很高的，它们除了可能干扰其他设备的正常运行之外，还因为它们消耗了大量的无功功率，使线路的功率因数大为下降。在输入电路内串入交流/直流电 抗器后（如图1），进线电流的THDv大约降低30%～50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。根据接线位置的不同，主要有以下两种：交流电抗器串联在电源与变频器的输入侧之间；直流电抗器串联在整流桥和滤波电容器之间。
（3）输出电抗器在变频器到电动机之间增加交流电抗器（如图2），主要目的是减少变频器的输出在能量传输过程中，线路产生的电磁辐射。该电抗器必须安装在距离变频器最近的地方， 尽量缩短与变频器的引线距离。如果使用铠装电缆作为变频器与电动机的连线时，可不使用这方法，但要做到电缆的钢铠在变频器和电动机端可靠接地，而且接地的钢铠要原样不动接地，不能扭成绳或辫，不能用其它导线延长，变频器侧要接在变频器的地线端子上，再将变频器接地。（4）在系统线路中设置滤波器，滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电动机。为减少电磁噪声和损耗，在变频器输出侧可设置输出滤波器；为减少对电源干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器（如图3）。若线路中有敏感电子设备，可在 电源线上设置电源噪声滤波器以免传导干扰。在变频器的输入和输出电路中， 除了上述较 低的谐波成分外，还有许多频率很高的谐波电流，它们将以各种方式把自己的能量传播出去， 形成对其它设备的干扰信号。滤波器就是用于削弱频率较高的谐波分量的主要手段。（5）采用多相脉冲整流在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下，可采用多相整流的方法。12相脉冲整流的THDV大约为10%～15% ，18相的为3%～8%，完全满足国际标准的要求。其缺点是需要专用变压器，不利于设备的改造，成本费用较高。（6）采用变压器多相运行通用变频器为六脉波整流器，因此产生的谐波较大。如果采用变压器多相运行，使相位角互差30°，如 Y-△、△-△组合的变压器构成12脉波的效果，可减小低次谐波电流，很好地抑制谐波。
4减少或削弱变频 器谐波对周边设备干扰的对策
以上介绍的方法是减少变频器工作时对外设备的影响， 但并不是消除了变频器的对外干扰，根据电磁性的基本原理可知，形成电磁干扰（EMI）应具备三个要素：电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统。为降低变频器谐波和电磁辐射对其它设备的干扰，还可从隔离、屏蔽、接地等几个方面来实现。
（1）隔離
所谓干扰的隔离，是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。在变频调速传动系统中，通常是电源和放大器电路之间电源线上采用隔离变压器以免传导干扰，电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器（如图4）。
（2）正确的接地
接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。在实际应用系统中，由于系统电源零线（中线）、地线（保护接地、系统接地）不分、控制系统屏蔽地（控制信号屏蔽地和主电路导线屏蔽地）的混乱连接，大大降低了系统的稳定性和可靠性。对于变频器，主回路端子PE（E、G）的正确接地是提高变频器抑制噪声能力和减小变频器干扰的重要手段，因此在实际应用中一定要非常重视。变频器接地导线的截面积一般应不小2.5 mm2，长度控制在20m以内。建议变频器的接地与其它动力设备接地点分开，不能共地。
（3） 屏蔽
屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏；输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短 （一般为20m以内），且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路线（AC 380V ）及控制线（AC 220V ） 完全分离，决不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效， 屏蔽罩必须可靠接地。
（4） 选用具有开关电源的仪表等低压电器
一般开关电源的抗电源传导干扰的能力都比较强，因此在选用控制系统的电源设备，或者选用控制用电器的时候，尽量采用具有开关电源类型的。
6 结论
变频器的使用给人们带来了极大的方便和巨大的经济效益，它必将更为广泛地使用，但 是由于它特有的工作方式，降低了电网的供电质量，成为电网主要污染源之一， 同时影响了电网上其它设备正常工作，因而，应当采用适当的措施，既要考虑效果，又要考虑价格因素，还要因现场情况而定。
【关键词】变频器 谐波 晶闸管 非线性 IGBT
1谐波的产生
谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。从结构上来看，变频器有间接变频器和直接变频器之分。间接变频器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。而直接变频器是将工频电流直接变换成可控频率的交流，没有中间的直流环 节。它的每相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆电路。正反两组按一定周期相互切换，在负荷上就获得了交变输出的电压U0， U0的幅值决定于各整流装置的控制角， 频率决 定于两组整流装置的切换频率。
2 谐波的危害
（1）谐波使电网中的电器元件产生了附加的谐波损耗，降低了输变电及用电设备的效率。（2）谐波可以通过电网传导到其它的用电器，影响了许多电气设备的正常运行，比如谐波会使变压器产生机械振动，使其局部过热，绝缘老化，寿命缩短，以至于损坏；还有传导来的谐波会干扰电器设备内部软 件或硬件的正常运转。（3）谐波会引起电网中局部的串联或并联谐振，从而使谐波放大。（4） 谐波或电磁辐射干扰会导致继电器保护装置的误动作，使电气仪表计量不准确，甚至无法正常工作。（5）电磁辐射干扰使经过变频器输出导线附近的控制信号、检测信号等弱电信号受到干扰，严重时使系统无法得到正确的检测信号，或使控制系统紊乱。
3抑制谐波的对策
抑制谐波的方法很多，各有优缺点。（1）增加变频器供电电源内阻抗通常电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用，内阻抗越大，谐波含量越小，这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。因此选择变频器供电电源时，最好选择短路阻抗大的变压器。（2）输入电抗器在变频器的输入电流中，频率较低的谐波分量（5次谐波、7次谐波、11次谐波、13次谐波等）所占的比重是很高的，它们除了可能干扰其他设备的正常运行之外，还因为它们消耗了大量的无功功率，使线路的功率因数大为下降。在输入电路内串入交流/直流电 抗器后（如图1），进线电流的THDv大约降低30%～50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。根据接线位置的不同，主要有以下两种：交流电抗器串联在电源与变频器的输入侧之间；直流电抗器串联在整流桥和滤波电容器之间。
（3）输出电抗器在变频器到电动机之间增加交流电抗器（如图2），主要目的是减少变频器的输出在能量传输过程中，线路产生的电磁辐射。该电抗器必须安装在距离变频器最近的地方， 尽量缩短与变频器的引线距离。如果使用铠装电缆作为变频器与电动机的连线时，可不使用这方法，但要做到电缆的钢铠在变频器和电动机端可靠接地，而且接地的钢铠要原样不动接地，不能扭成绳或辫，不能用其它导线延长，变频器侧要接在变频器的地线端子上，再将变频器接地。（4）在系统线路中设置滤波器，滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电动机。为减少电磁噪声和损耗，在变频器输出侧可设置输出滤波器；为减少对电源干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器（如图3）。若线路中有敏感电子设备，可在 电源线上设置电源噪声滤波器以免传导干扰。在变频器的输入和输出电路中， 除了上述较 低的谐波成分外，还有许多频率很高的谐波电流，它们将以各种方式把自己的能量传播出去， 形成对其它设备的干扰信号。滤波器就是用于削弱频率较高的谐波分量的主要手段。（5）采用多相脉冲整流在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下，可采用多相整流的方法。12相脉冲整流的THDV大约为10%～15% ，18相的为3%～8%，完全满足国际标准的要求。其缺点是需要专用变压器，不利于设备的改造，成本费用较高。（6）采用变压器多相运行通用变频器为六脉波整流器，因此产生的谐波较大。如果采用变压器多相运行，使相位角互差30°，如 Y-△、△-△组合的变压器构成12脉波的效果，可减小低次谐波电流，很好地抑制谐波。
4减少或削弱变频 器谐波对周边设备干扰的对策
以上介绍的方法是减少变频器工作时对外设备的影响， 但并不是消除了变频器的对外干扰，根据电磁性的基本原理可知，形成电磁干扰（EMI）应具备三个要素：电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统。为降低变频器谐波和电磁辐射对其它设备的干扰，还可从隔离、屏蔽、接地等几个方面来实现。
（1）隔離
所谓干扰的隔离，是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。在变频调速传动系统中，通常是电源和放大器电路之间电源线上采用隔离变压器以免传导干扰，电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器（如图4）。
（2）正确的接地
接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。在实际应用系统中，由于系统电源零线（中线）、地线（保护接地、系统接地）不分、控制系统屏蔽地（控制信号屏蔽地和主电路导线屏蔽地）的混乱连接，大大降低了系统的稳定性和可靠性。对于变频器，主回路端子PE（E、G）的正确接地是提高变频器抑制噪声能力和减小变频器干扰的重要手段，因此在实际应用中一定要非常重视。变频器接地导线的截面积一般应不小2.5 mm2，长度控制在20m以内。建议变频器的接地与其它动力设备接地点分开，不能共地。
（3） 屏蔽
屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏；输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短 （一般为20m以内），且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路线（AC 380V ）及控制线（AC 220V ） 完全分离，决不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效， 屏蔽罩必须可靠接地。
（4） 选用具有开关电源的仪表等低压电器
一般开关电源的抗电源传导干扰的能力都比较强，因此在选用控制系统的电源设备，或者选用控制用电器的时候，尽量采用具有开关电源类型的。
6 结论
变频器的使用给人们带来了极大的方便和巨大的经济效益，它必将更为广泛地使用，但 是由于它特有的工作方式，降低了电网的供电质量，成为电网主要污染源之一， 同时影响了电网上其它设备正常工作，因而，应当采用适当的措施，既要考虑效果，又要考虑价格因素，还要因现场情况而定。