变频器产生的谐波有哪些类型和特性？

摘要： 变频器在工业应用中广泛使用，用于调节电机的运行速度和转矩，变频器在工作过程中会产生谐波，这些谐波对电力系统和设备产生负面影响，了解变频器谐波的种类、产生机理以及治理方法对于保障电力...

变频器在工业应用中广泛使用，用于调节电机的运行速度和转矩，变频器在工作过程中会产生谐波，这些谐波对电力系统和设备产生负面影响，了解变频器谐波的种类、产生机理以及治理方法对于保障电力系统的稳定运行具有重要意义。

一、变频器谐波的种类与特性

1、输入端谐波：

输入端谐波主要由于整流电路的非线性引起，在三相桥式不控整流过程中，电流波形为不规则的矩形波，通过傅里叶级数分解后，形成基波和谐波。

输入端谐波的频率通常为6n±1次高次谐波，其中n为正整数。

2、输出端谐波：

输出端谐波由逆变电路中的PWM载波信号调制产生，GTR大功率逆变元件的PWM载波频率为23kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。

输出端谐波的频率集中在载波频率的整数倍附近，即谐波次数为kfc±mfs，其中k和m为整数。

二、变频器谐波的产生机理

1、输入端谐波产生机理：

变频器的输入侧采用三相桥式不控整流将交流电整成直流电，由于二极管整流桥的非线性特性，输入电流波形为畸变的“马鞍波”，从而产生谐波电流。

这些谐波电流会通过电网传播，影响公用电网的质量。

2、输出端谐波产生机理：

变频器的输出侧通过SPWM波控制全控型器件（如IGBT）组成的桥式电路，形成电压和频率可调的三相交流电。

输出电压为矩形波，包含较多的谐波成分，这些谐波会对负载产生不利影响。

三、变频器谐波的危害

1、降低设备寿命：

谐波电流会增加变压器和电动机的铜损和铁损，导致温度升高，影响绝缘能力，缩短设备寿命。

谐波还可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振。

2、影响电器元件正常工作：

谐波会导致电动机产生机械振动、噪声和过电流，使电容器、电缆等设备过热，加速绝缘老化。

谐波还会引起电网中的局部并联谐振和串联谐振，放大谐波，引发严重事故。

3、干扰通信系统：

谐波对附近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

4、导致误动作：

谐波会导致继电保护和自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准确。

四、变频器谐波的治理方法

1、安装电抗器：

在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器，吸收谐波并增大电源或负载的阻抗，达到抑制谐波的目的。

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。

3、正确接地：

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。

4、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。

5、安装EMI电源滤波器：

EMI电源滤波器能实时从补偿对象中检测出变频器谐波电流，产生一个与该谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波电流。

变频器在工业应用中产生的谐波对电力系统和设备有着显著的影响，通过了解变频器谐波的种类、产生机理及其危害，可以采取有效的治理措施，如安装电抗器、电源隔离、正确接地和安装EMI电源滤波器等，以减少谐波对电力系统的干扰，保障电力系统的稳定运行。

六、FAQs

Q1: 如何计算变频器的谐波功率？

A1: 可以通过傅里叶变换得到电压、电流的每次谐波的幅值和相位，根据P=√3UIcosφ计算出每次谐波的有功功率，将所有谐波的有功功率相加，得到谐波功率，另一种方法是测量出总有功功率，傅里叶变换得到电压、电流的基波幅值和相位，计算出基波有功功率，总有功功率减去基波有功功率即为谐波功率。

Q2: 为什么变频器需要使用专用接地线？

A2: 变频器使用专用接地线可以有效地抑制外来干扰，并降低设备本身对外界的干扰，正确的接地方式能够有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰，确保系统的稳定运行。