变频器谐波干扰的消除与抑制办法

在实际应用中，首先要通过合理布线、隔离、屏蔽和接地等这样的基本方法，来抑制谐波的干扰，然后根据应用场合对谐波的要求是否严格以及现场谐波的危害程度，再来选择是否治理以及治理的办法。目前，变频器谐波的治理采用无源滤波器者居多，通过改造变频器本身来彻底解决谐波，也会在不久的将来成为现实。
1、变频器电网侧的谐波
　　 如下图既是实测的某应用中变频器系统产生的谐波。变频器注入电网的主要是电流谐波。由于变频器是三相整流回路，变频器产生的谐波通常含有6n±1（n=1,2,3,……）次谐波，主要是5次、7次的谐波电流含量比较大，通常，5次含有基波电流的40-65%，7次含有基波电流的14-41%，其他阶次的谐波含量基本都在10%以下。当然，由于直流电流的脉动、交流电压相间的不平衡、延迟角相间差异、换相电抗相间差异等原因，也可能产生其他阶次的非特征谐波。

2、变频器输出侧的波形
　 在逆变输出回路中，输出电压和电流均有谐波。对于PWM控制的变频器，只要是电压型变频器，不管是何种PWM控制，其输出电压波形为矩形波，其中谐波频率的高低是与变频器调制频率有关。电流波形是带毛刺的近似正弦波，如图所示。可见，变频器的输出波形畸变将会对电动机造成极大的危害。　　谐波对电动机的危害主要是：引起电动机的附加发热，导致电动机的额外温升；增加电动机的重复峰值电压，破坏电动机的绝缘，降低电动机的寿命；产生转矩脉动；加大噪声。实际应用中，电动机许多不明原因的故障均是由于谐波造成的。改善变频器输出端的波形可采用正弦波滤波器，使输出波形修正到完美的正弦波。

1、变频器谐波干扰的消除办法
　　由上可知，变频器的输入输出侧的波形均已畸变 ，不再是完美的正弦波，所以必然会对周围的环境与设备造成干扰。 实际应用中，主要从传导、辐射和耦合三个方面解决变频器的干扰，总的原则是抑制和切断干扰源、切断干扰对系统的耦合通道和降低对干扰信号的敏感性。解决传导干扰主要是在电路中把干扰滤掉或者隔离，解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽，解决耦合干扰就是合理布置干扰源和被干扰线路的距离、走向，避免耦合产生。详细的措施如下：
1、隔离
　 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
2、抑制
　 在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器和电磁干扰滤波器，来抑制谐波干扰
3、屏蔽
　 屏蔽干扰源是抑制干扰最有效的方法。变频器本采用铁壳屏蔽，阻止电磁干扰泄漏；输出线采用钢管屏蔽；外部信号控制变频其实，要求信号线尽可能短（一般20m以内），且采用双芯屏蔽以降低共模干扰，并与主电路及控制回路完全分离，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，屏蔽罩必须接地。
4、合理布线
　 一般将控制电缆于主回路或其他动力电缆分开铺设，间距通常在30cm以上，必须平行敷设且分离困难时，将控制电缆穿过钢管铺设，控制电路连接线与电源电缆交叉时，应成90度交叉布线。
5、接地
　 变频器应使用专用接地线和专设的接地端子，用粗短线接地，接地点要与其他动力设备接地点分开，不能共地。

2、变频器谐波的抑制方法
　　前面提到的是对于变频器谐波干扰的被动控制，为了进一步消除谐波对电网的不利影响，我们还需要从根上治理谐波，一般从两个方面入手：一方面就是装设谐波补偿装置；另一方面，对变频器本身进行改造，使其不产生谐波，或产生少量的谐波。以下就是具体的措施：
1、加装交流电抗器和直流电抗器
　 加装交流电抗器，可以抑制谐波，并可以滤除30%左右的谐波电流，同时可将功率因数提高到0.8以上，加装直流电抗器，可将功率因数提高职0.9以上，若同时采用交流直流电抗器，功率因数可提高至0.95。
　 举个例子：某酒店的中央空调系统风机进行变频改造，变频柜安装在低压补偿柜的附近，运行一段时间，出现一系列故障，无功控制器失灵，电容发热严重，甚至烧毁，电容投切器触点发黑。这显然是由于变频器谐波的存在造成的，经检测，谐波含量并未超标，推测由于谐波的存在引起谐振造成。由于非线性负荷不大，不建议采用滤波器来消除谐波，我们采用变频器输入侧加装交流电抗器，从根源抑制谐波，并进行电容柜改造，更换抗谐波功能的控制器，在电容器前串接电抗器的方法。经改造后，问题解决。
2、无源滤波器
　 无源滤波器安装在变频器的输入侧，由 L、C、R元件构成谐波共振回路，当 LC 回路的谐振频率和某一次高次谐波电流频率相同时，即对此次谐波形成低阻回路，吸收谐波，阻止高次谐波流入电网。无源滤波器特点是投资少、结构简单、运行可靠及维护方便，缺点是滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波有放大的可能。无源滤波器适用于负荷稳定、很少变动的场合。
3、有源滤波器
有源滤波器实质是一个谐波发生源，并联或串联于主电路中，采用高速的DSP芯片对系统参数实时监测，分离出基波与谐波成分，再由补偿装置发出一个与谐波电流大小相等方向相反的补偿电流，达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比，具有高度可控性和快速响应性，不受系统阻抗的影响，不会发生谐振危险，可自动跟踪补偿变化的谐波。其缺点就是价格昂贵，大容量制作困难等。
4、混合滤波
即采用无源滤波器滤除大部分谐波，有源滤波器改善特性，如此，不但起到快速滤波的作用，不受系统阻抗的影响，而且可以做到价格合理。即综合了无源滤波和有源滤波的优点:电路的多重化、多元化
5、多重化
　 逆变单元的并联多元化是采用2个或多个逆变单元并联，通过波形移位叠加，抵消谐波分量；整流电路的多重化是采用12脉波、18脉波、24脉波整流，可降低谐波成分；功率单元的串联多重化是采用多脉波（如30脉波的串联），功率单元多重化线路也可降低谐波成分。
6、新的变频调制方法，如电压矢量的变形调制等。
7、绿色变频
　 采用理想化的无谐波污染的绿色变频器——交交变频，绿色变频器的品质标准是：输入和输出电流都是正弦波，输入功率因数可控，带任何负载使都能使功率因数为1，可获得工频上下任意可控的输出功率。