变频器谐波
- 变频器谐波是变频器运行过程中，需要对输入电源用大功率二极管整流（或晶体管/逆变模块）进行逆变；在其逆变过程中，在输入输出回路产生的高次谐波； 变频器谐波对供电系统、负载及其他邻近电气设备产生干扰。
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3.1、变频器谐波有功功率是由非线性负荷产生；
3.2、变频器谐波有功方向与基波有功方向相反，即由用户端送入电网；
3.3、对于变频器谐波源用户而言，其计量入口处的总有功将是基波有功和谐波有功之代数和（实为相减）；
3.4、非线性负荷在其工作过程中将基波的部分功率转变成谐波有功，谐波有功将在网络内流动，并在各输配电元件和其他设备中产生损耗和干扰；
通常来讲，变频器谐波对容量相对较大的电力系统影响不很明显；而对容量小的电力系统，变频器谐波产生的干扰就不可忽视，它对公用电网是一种污染。
变频器谐波污染对电力系统的危害是严重的，主要有以下几个方面：
4.1、变频器谐波降低电力设备使用寿命
如变频器电流谐波将会使变压器的铜损增加。变频器电压谐波将增加铁损，使其温度上升，影响绝缘能力，并造成容量裕度减小。同时变频器谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振。
4.2、变频器谐波影响各电器元件正常工作
变频器输出谐波对电动机的影响有：电机附加发热使电机额外升温；产生机械震动、噪音及过电流。变频器谐波会使电力电容发生过载、过热甚至损坏电容器。当电容器与线路阻抗达到共振时会发生振动、短路、过电流及产生噪声。变频器谐波电流会使开关设备在启动瞬间产生很高的电流变化率，破坏绝缘。
4.3、变频器谐波的其它危害
变频器谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差；变频器谐波对其他系统及电力用户危害也很大：如对附近的通信系统产生干扰，轻者出现噪声，降低通信质量，重者丢失信息，使通信系统无法正常工作；影响电子设备工作精度，使精密机械加工的产品质量降低；设备寿命缩短，家用电器工况变坏等。
实际上不限于变频器，晶闸管供电的直流电动机、无换向器电动机等凡是在电源侧有整流回路的，都将产生因其非线性引起的高次谐波。
2.1、变频器输入端谐波产生机理
变频器的主电路一般为交一直一交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压，经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电压。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，谐波次数通常为6n±1次高次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。如果电源侧电抗充分小、换流重叠角"可以忽略，那么n次高次谐波为基波电流的1/n。
2.2、变频器输出端谐波产生机理
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2-3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含基波和其他各次谐波。
功率分析仪可以高精度、可靠地测量由变频器、电机、照明电路、电源等导致的波形失真。推荐横河品牌。网侧谐波测量可用电能质量分析仪。或用频谱分析仪。示波器FFT做谐波分析仅供参考。
1、谐波治理的功能：电能质量的好坏，直接影响到工业产品的质量，评价电能质量有三方面标准。首先是电压方面，它包含电压的波动、电压的偏移、电压的闪变等；其次是频率波动；最后是电压的波形质量，即三相电压波形...
谐波和间谐波的集肤效应使输出电线等效截面积变小，线路损耗增加，铁芯中附加高频涡流损耗，谐波和间谐波电流导致电压波形畸变和辐射干扰，引起同一电网其它负载减少，损耗增加甚至误动作，应增加滤波装置
通过傅立叶级数对谐波的分析表明，任何周期性变化的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波整数倍数的谐波的正弦波分量。
变频器谐波是一个周期量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，变频器谐波的幅值大小和谐波相对于基波的相位关系都是影响这个周期量的重要因素。通俗地说，基波频率是50HZ，那么谐波就是频率为100HZ、150HZ、200HZ...N*50HZ的正弦波。
变频器谐波治理应注意下面几个标准：
5.1、抗干扰标准
5.1.1、EN50082-1
5.1.2、EN50082-2
5.1.3、EN61800-3
5.2、辐射标准
5.2.1、EN5008l-1
5.2.2、EN5008l-2
5.2.3、EN61800-3
5.3、其它标准
5.3.1、IECl0003
5.3.2、IECl800-3(EN61800-3)
5.3.3、IEC555(EN60555)
5.3.4、IEEE519-1992。
治理变频器谐波问题，抑制辐射干扰和供电系统干扰，可采取屏蔽、隔离、接地等技术手段。
6.1、安装适当的电抗器
在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器，吸收谐波和增大电源或负载的阻抗，达到抑制谐波的目的，以减少传输过程中的电磁辐射。 通过抑制谐波电流，将功率因数由原来的(0.5-0.6)提高至（0.75-0.85）；
6.2、电源隔离或安装隔离变压器
将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；
6.3、避免干扰辐射
电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆，并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设，避免辐射干扰；
6.4、变频器正确的接地
正确的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。变频器使用专用接地线，且用粗短线接地，邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开，使用短线，这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰；
6.5、缩短线路长度
缩短线路长度，电源线和信号线单独敷设，避免交叉，不能避免时，必须垂直交叉，绝对不能平等敷设，信号线屏蔽层不接到电机或变频器的地，而应该接到控制线路的公共端；
6.6、安装EMI电源滤波器
当前抑制变频器谐波的一个重要趋势是采用EMI电源滤波器，它串联或是并联于主电路中，实时从补偿对象中检测出变频器谐波电流，由补偿装置产生一个与该变频器谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波电流。EMI电源滤波器能对频率和幅值都变化的变频器谐波进行跟踪补偿，其特性不受系统的影响，无谐波放大的危险，因而获得了广泛的应用；
减少或削弱变频器的方法还有：
（1） 在变频器与电动机之间增加交流电抗器，以减少传输过程中的电磁辐射。
（2） 使用具有间隔层的变压器，可以将绝大部分的传导干扰隔离在变压器之前
（3） 采用具有一定消除高频干扰的双积分A/D转换器、
（4） 选用具有开关电源的仪表等低压电器
（5） 信号线与动力线分开配线，尽量使用双绞线降低共模干扰
（6） 在使用单片机、PLC等为核心的控制系统中，在编制软件的时候适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增强系统自身的抗干扰能力。2100433B
图1为两电平变频器和三电平变频器输出的电压和电流波形图。
假设SPWM波的载波频率为fc，基波频率为fs，fc/fs称为载波比N，对于三相变频器，当N为3的整数倍时，输出不含3次谐波及3的整数倍谐波。且谐波集中载波频率整数倍附近，即谐波次数为：kfc±mfs，k和m为整数。
图2是基波频率fs=50Hz，载波频率fc=3kHz，调制比为0.8的SPWM的波形及频谱的Matlab仿真图。
图2中58次谐波和60次谐波的幅值分别为27.8%和27.7%，含量最大的谐波为119次和121次谐波，谐波幅值分别为39.1%和39.3%。即最大谐波在两倍载波频率附近。
随着谐波频率的升高，谐波幅值整体呈现下降趋势，按照GB/T22670变频器供电三相笼型感应电动机试验方法的规定，变频电量变送器的带宽应该在载波频率的6倍以上，当载波频率为3kHz时，带宽至少为18kHz，实际使用建议采用30kHz以上带宽的变频功率传感器及变频功率分析仪。
实际的SPWM波，其载波比不一定为整数，此时，为了降低频谱泄露，可适当增加傅里叶窗口长度，对多个基波周期的PWM进行傅里叶变换（FFT或DFT）。
变频器谐波治理应注意下面几个标准：
5.1.1、EN50082-1
5.1.2、EN50082-2
5.1.3、EN61800-3
5.2.1、EN5008l-1
5.2.2、EN5008l-2
5.2.3、EN61800-3
5.3.1、IECl0003
5.3.2、IECl800-3(EN61800-3)
5.3.3、IEC555(EN60555)
5.3.4、IEEE519-1992。
治理变频器谐波问题，抑制辐射干扰和供电系统干扰，可采取屏蔽、隔离、接地等技术手段。
在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器，吸收谐波和增大电源或负载的阻抗，达到抑制谐波的目的，以减少传输过程中的电磁辐射。 通过抑制谐波电流，将功率因数由原来的(0.5-0.6)提高至（0.75-0.85）；
将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；
电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆，并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设，避免辐射干扰；
正确的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。变频器使用专用接地线，且用粗短线接地，邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开，使用短线，这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰；
缩短线路长度，电源线和信号线单独敷设，避免交叉，不能避免时，必须垂直交叉，绝对不能平等敷设，信号线屏蔽层不接到电机或变频器的地，而应该接到控制线路的公共端；
当前抑制变频器谐波的一个重要趋势是采用EMI电源滤波器，它串联或是并联于主电路中，实时从补偿对象中检测出变频器谐波电流，由补偿装置产生一个与该变频器谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波电流。EMI电源滤波器能对频率和幅值都变化的变频器谐波进行跟踪补偿，其特性不受系统的影响，无谐波放大的危险，因而获得了广泛的应用；
矿用防爆变频器谐波治理研究与应用
矿用防爆变频器谐波治理研究与应用
随着矿井逐步向深部开采,防爆变频器愈来愈多的得到应用,由于电力电子器件的非线性工作特性,谐波污染问题日益突出,对矿井的供电安全带来巨大的威胁。由于矿井安全与供电安全息息相关,
变频技术与装置应用若干问题的探讨——工程师与制造商伙伴们的观点:变频器谐波电流抑制问题
变频技术与装置应用若干问题的探讨——工程师与制造商伙伴们的观点:变频器谐波电流抑制问题
20世纪80年代,作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式。而由于VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频输入功率因数低,谐波电流大,直流回路需要较大的储能电容以及再生能量不能反馈电网,矩阵式交-交变频应运而生。与此同时,变频装置的推广应用也带来了谐波、电磁干扰和电源系统功率因数下降等问题。在当今面临能源危机的条件下,节能降耗虽然有近期的直接经济效益,更有着长远的社会效益,而变频器作为节能应用越来越重要的自动化设备,也得到了快速的发展。针对变频技术与装置应用还存在很多值得讨论的话题,从不同的角度也产生出不同的观点。本刊特邀行业专家、设计与制造单位的技术人员就相关问题提出看法和展开讨论,希望能给广大读者带来有益的参考,也欢迎感兴趣的行业人士积极参与。
通常来讲，变频器谐波对容量相对较大的系统影响不很明显;而对容量小的系统，变频器谐波产生的干扰就不可忽视。
变频器谐波污染对电力系统的危害是严重的，主要表现在以下几个方面:
变频器电流谐波将会使变压器的铜损增加。变频器电压谐波将增加铁损，使其温度上升，影响绝缘能力，并造成容量裕度减小。同时变频器谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振。
变频器输出谐波对电动机的影响有:电机附加发热使电机额外升温;产生机械震动、噪音及过电流。变频器谐波会使电力电容发生过载、过热甚至损坏电容器。当电容器与线路阻抗达到共振时会发生振动、短路、过电流及产生噪声。变频器谐波电流会使开关设备在启动瞬间产生很高的电流变化率，破坏绝缘。
变频器谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，使仪器仪表出现误差。
通常来讲，变频器谐波对容量相对较大的系统影响不很明显；而对容量小的系统，变频器谐波产生的干扰就不可忽视。
变频器谐波污染对电力系统的危害是严重的，主要表现在以下几个方面：
变频器电流谐波将会使变压器的铜损增加。变频器电压谐波将增加铁损，使其温度上升，影响绝缘能力，并造成容量裕度减小。同时变频器谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振。
变频器输出谐波对电动机的影响有：电机附加发热使电机额外升温；产生机械震动、噪音及过电流。变频器谐波会使电力电容发生过载、过热甚至损坏电容器。当电容器与线路阻抗达到共振时会发生振动、短路、过电流及产生噪声。变频器谐波电流会使开关设备在启动瞬间产生很高的电流变化率，破坏绝缘。
变频器谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，使仪器仪表出现误差。
摘 要:本文介绍了在交流变频调速控制系统中由于电源滤波器与变频器高次谐波发生串联谐振造成控制电源短路故障的实例及 分析处理方法。
关键词:变频调速系统 电源滤波 串联谐振
随着变频器本身功能的不断完善，交流调速技术有了长足的进步。在不同工况场合下,由交流异步电动机和变频器组成的交流拖动系统大有取代直流拖动系统之势。利用变频器完成不同工况场合交流拖动系统改造设计的应用事例已经很多，相应来说在使用中也不断发现一些新的问题。本文就变频器正常工作中，由于变频器高次谐波的影响引发控制电路发生串联谐振，造成系统电源故障的情况及处理方案进行了分析。
由变频器、PLC、PID调节器、配套低压电器及压力传感器组成了变频调速恒压供水系统如图一所示，系统中压力传感器负责检测系统管网压力，将压力信号变换为电阻信号作为反馈输入PID调节器，经过与给定信号进行比较后其偏差值采用优化的PI算法输出控制信号控制变频器的输出频率，保证管网压力的恒定。PLC和配套低压电器及PID调节器的工作电源电压均为AC220V，在该系统中，用户要求能够直观显示储水箱中的液位，因此，选用液位传感器配合数字式液位指示器对水箱中的液位进行测量和显示。在实际工作中发现，当变频器正常工作时，数字式液位显示器经常出现误指示、乱码等情况;变频器停止工作时系统完全恢复正常。很明显，这是由于变频器高次谐波分量对电源的干扰造成的，通常，对此最为行之有效的办法就是对控制电路的供电电源加装电源滤波器。
在加装市售的通用电源滤波器后，液位显示系统恢复了正常，但是随之又有新的问题出现了，控制电路中的熔断器FU2频繁熔断。停电后对电路进行检查，在电路中没有发现短路点。经现场详细观察发现，在系统逐渐升速过程中，变频器运行输出在某个频段之间时频繁发生短路故障。而且，将变频器的负载(电动机)断开后，该故障现象仍频繁出现，在去掉电源滤波器后该故障消失。因此，首先对该滤波器进行了检查，拆开后发现滤波器采用的是常见的π型滤波，电路如图2所示。检查发现电源滤波器本身没有任何故障，进一步分析变频器的工作原理可知，在交-直-交型变频器中，电网通过三相整流桥给变频器供电，供电电流利用傅立叶级数可以分解为包含基波和6K±1次谐波(K=1，2，3…)分量等一系列谐波分量，谐波含量随进线电抗和和直流滤波电抗的电感量增加而减少。
具有关资料介绍，通常情况下，加电抗器后五次谐波、七次谐波、十一次谐波和十三次谐波仍然占到40%、35%、25%和20%左右。由于电路参数频率特性的影响，在n 次谐波所作用下电感的感抗为，电容的容抗为，整个电源滤波器的等效复阻抗;其中是滤波器的等效感抗，是滤波器的等效容抗。如果在k次谐波的作用下，滤波器在该次谐波下的等效感抗的值与等效容抗的值相等，可知此时电路在该频率下的等效复阻抗，即电路处于谐振状态。由于此时R仅是线路电阻，其值是非常小的，可以近似的认为，即电路在该次谐波的作用下处于处于短路状态。
依据上述分析，可以得出结论：该电源短路故障是由于变频器输出的高次谐波分量造成电源滤波器发生串联谐振引起的。通常情况下，如果引起谐振的谐波分量不是足够大，是不应引起短路故障的，但是当其短路电流的有效值超过系统熔断器保护范围时，就会造成短路故障，采用该类电源滤波方式就不十分合适了。
在分析清楚故障原因后，针对工控系统干扰源的主要来源途径即电源的干扰、过程通道的干扰及空间电磁干扰等，对控制显示系统采取了进一步的防干扰措施。首先，针对前述系统的故障状态，采用大电容替代原来的电源滤波器进行滤波，有效的解决了控制系统电源系统的干扰问题。但是，必须着重指出的是在变频器的输出侧，绝对禁止采用电容器来吸收高次谐波，以防止在逆变管导通瞬间，出现峰值很大的充电或放电电流，造成逆变管的损坏;其次，由于用户要求液位指示器与变频器的相对位置不能改变，在不能使液位指示器远离变频器的情况下，将液位指示器进行了严格的金属屏蔽，而且信号屏蔽线、金属屏蔽层进行了严格的单独接地与系统工作及安全接地分开，信号线与电源线空间位置相对垂直，有效的防止了空间的电磁干扰的窜入。
采取上述措施后，整个系统的工作恢复了正常，说明上述措施是完全可行的。同时，进一步实验发现，为了削弱通过线路传播的干扰信号，在控制电路电源不采用电容滤波时可以在控制电路中传入一个小电感，如图3所示，该电感在工频情况下的阻抗是很小的，但是对于频率很高的谐波电流呈现很高的阻抗，可以起到有效的抑制作用，其使用效果也是不错的。
综上所述，在变频调速控制系统的设计中，系统本身抗干扰的设计固然是很重要的;与此同时，必须充分考虑变频器本身对于其它电气显示控制系统的干扰，特别是高次谐波对控制电路电源系统的干扰影响，在设计电源滤波器时应考虑到在高次谐波的影响下可能造成的谐振等问题。
低谐波变频器谐波危害