变频器谐波与电磁干扰控制工程手册

序言

使用变频器驱动电机能够节省电能、灵活地对电机进行控制，已经成为现代化油田生产中不可或缺的设备。但是，变频器带来种种利益便利的同时，也带来了许多困扰，这些不良影响大致可以分为三类：

第一：干扰供电系统

油井、站用配电室大量使用变频器以后，给供电系统带来了不良影响，主要故障现象包括：

? 变压器过热，有时出现噪声增加的现象 ? 继电保护器误动作，跳闸

? 电缆过热，原来的配电电缆不能适应大量使用变频器的情况 ? 无功补偿电容烧毁或者不能投切 第二：损伤所驱动的电机

电机由变频器驱动后，频繁地损坏，主要故障现象包括： ? 电机的绝缘击穿，一般功率越小的电机这种现象越明显

? 电机的轴承损害，仔细观察会发现轴承的表面出现凹凸不平，一般功率

越大的电机，这种现象越明显 ? 电机的噪声增加 ? 电机发热

第三：对其他设备产生干扰

? 变频器工作后，车间内的其他设备工作异常，典型的现象包括： ? PLC误动作 ? 仪表的读数异常

? 共低压母线的其他数字控制设备、计算机等工作异常

变频器工作时，之所以产生上述三种不良影响，是因为变频器的工作方式导致的。变频器的工作方式可以简化为两个部分：

第一：将输入的正弦波电压整流为直流电压，这是上述第一种和第三种故障现象 的原因。

第二：将直流电压，变换成PWM电压，这是上述第二种和第三种故障现象的原因。

对于变频器带来的种种不良影响，大多数工程人员不知道如何解决，往往盲

目地采取一些措施，结果达不到改善的目的，有时甚至带来新的问题。

第一部分 概念篇

本篇介绍变频器谐波电流与电磁干扰的基本知识。

1.1变频器对电网影响

过去，电动机直接连接到电网上，给电网带来的主要问题是无功功率，无功补偿设备已经成为配电中不可缺少的设备。

随着工业自动化程度提高、节能降耗政策的深入实施，电动机已经很少直接连接到电网上直接使用，通常由变频调速驱动器来驱动，简称变频器。变频器能够灵活的控制电动机的功率和转速，满足功能的要求，并且节能效果显著。然而，变频器给电网带来了谐波电流的问题，任何供电公司都不允许用户向电网注入过大的谐波电流，用户有责任消除变频器产生的谐波电流。随着变频器的广泛使用，谐波治理设备的重要性将等同于过去的无功补偿设备。

本节介绍变频器产生的谐波电流的相关基本概念。 1、什么是电力谐波？

电力谐波是频率为50Hz整倍数的正弦波电压或电流。

发电厂或者发电机发出的电压是频率为50Hz的正弦波波型，称为基波，50Hz称为基波频率。频率为50Hz整倍数的正弦波称为谐波。谐波用基波的倍数表示，例如频率为150Hz 的正弦波称为3次谐波，频率为250Hz的正弦波称为5次谐波，频率为350Hz的正弦波称为7次谐波，以此类推。

谐波频率的正弦波电压或电流称为谐波电压或谐波电流。当基波和谐波叠加时，形成形状怪异的波形，这称为波形畸变。例如，图1-1是基波与5次、7次谐波叠加的结果，这是工业场合常见的电流波形。 在实际工程中，大多数谐波为奇次谐波，也就是3、5、7、11、13 ? ? ? ? ? ?。

图1-1 含有5次和7次谐波的畸变波形

总结：正常的交流电压或者电流是正弦波，当电压波形或电流波形发生畸变

时，就说明其中包含了谐波成分，畸变的程度越大，包含的谐波成分越多。

2、谐波电流与谐波电压是怎样的关系？

电网上同时存在着谐波电流和谐波电压，谐波电流与谐波电压之间的关系是很多人感到迷惑的问题。

首先需要搞清楚谐波电压与谐波电流的因果关系。

谐波电流是非线性负载产生的，这些非线性负载从电源吸取非正弦波的电流，这些非正弦波电流中包含了谐波电流。

谐波电流流过线路阻抗时，在线路的两端产生了谐波电压（欧姆定律），谐波电压是由谐波电流产生的。打个比喻，谐波电流是蛋，在一定条件下（线路存在阻抗），孵化出了谐波电压这个蛋，如图2-1所示。

如果特定的配电系统对于N次谐波电流的阻抗为ZN，谐波电流IN在配电系统上产生的谐波电压VN为： VN = IN × ZN 式中：电网阻抗ZN包括了变压器的阻抗和配电线的阻抗，如图2-1所示。

图2-1 谐波电压与谐波电流

这里所说的阻抗包含了电阻和电抗两部分，电抗部分包含了电感的感抗，和电容的容抗。按照这个概念，将图2-1进一步细化，就得到了图2-2所示的网络，图中的各元素的含义如下：

? L1：变压器绕组电感 ? R1：变压器绕组电阻

? L2：配电线路分布电感，大约每米1μH z R2：配电线路分布电阻

? C1：变压器绕组电容+补偿电容，有系统有补偿电容时，可以忽略绕组

的电容

? C2：配电线路分布电容：大约每米100pf，当系统有补偿电容时，由于

其数值很小，可以忽略

图2-2 配电线路的模型

如果不考虑系统有补偿电容的情况，并且仅考虑谐波电流（频率较低），则可以忽略C1、C2；这时系统的阻抗可以简化为：

Z = R1 + R2 + jω（L1+L2）

式中：ω为电流的角频率，等于2πf，f是电流的频率。

从上式可以看出，配电线路对于基波和谐波，以及不同次数的谐波具有不同的阻抗值，谐波的次数越高，阻抗值越大。

电网的阻抗越高，同样的谐波电流产生的谐波电压越大。 需要特别注意的是，配电线路的感抗是不容忽视的。

例一：100米长的配电线路，电感大约为0.1mH，对于5次谐波，感抗为：2π×250×10-4 = 0.157?，如果5次谐波的电流幅度为200A，5次谐波的电压幅度达到约31V，对于380V系统，这是一个很大的比例。

另外，配电线路的电阻对于高次谐波也呈现出更大的阻值，这是由于高频电流的趋肤效应导致实际的导线截面积变小，增加了电阻。

因此，在提到谐波电压时，要明确以下因素才有意义：

? 变压器的容量：这决定了变压器的阻抗，变压器的容量越小，电压畸变

率越高；

? 测量地点：这决定了线路阻抗，距离变压器越远，电压畸变率越高； ? 补偿电容的投入状态：这决定了整个系统的阻抗，补偿电容会放大某些

谐波电流。

例二：图2-3说明较大的谐波电流并不导致较大的谐波电压。

图2-3(a)中的情况是变压器容量较小的情况，这时，虽然电流（上图）畸变率并不大（所含的谐波电流成分较小），但是电压（下图）出现严重的畸变。

图2-3(b)中的情况是变压器容量较大的情况，这时，虽然电流（上图）畸变率很大（所含的谐波电流成分较大），但是电压（下图）并未出现严重的畸变。

因此，在几乎所有的电网谐波标准中，对谐波电流的限制都不是一个定值。随着变压器的容量变化，变压器的容量或者冗余量越大（较强的电源），对谐波电流的限制越松（允许的谐波电流幅度更大）。

较弱的电源，例如柴油发电机、UPS电源等，由于其内阻大，因此谐波电流对其的影响更大。因此，柴油机发电的备用电源、UPS、船上电网等场合，更需要关注非线性负载的谐波问题。

在一些关键点的部位，例如金融机构、医院、机场等，为了保证电子信息系统的高度可靠，必须有应急供电系统，这些应急供电系统通常由柴油发电机、UPS电源等构成。这些电源的内阻较大，当谐波电流流过他们时，会产生比市电供电时更大的谐波电压（现象为电压发生平顶畸变），导致系统中的设备工作异常。

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