谐波及干扰的产生

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1、采用变频器驱动的电动机系统,因其节能效果显著、调节方便维护简单、网络化 等特点，而被越来越多地应用，但它的非线性、冲击性的用电方式，带来的干扰 问题也倍受人们的关注。 对于一台变频器来讲， 它的输入端和输出端都会产生高 次谐波，输入端的谐波还会通过输入电源线对公用电网产生影响。 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。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶 （M.Fourier）分析原理证 明， 任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正 弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同

2、的频率、幅度与相角。谐波可以 区分为偶次谐波与奇次谐波，第3、5、7 次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8 等为偶次谐波，如基波为50Hz 时，2 次谐波为 100Hz，3 次谐波则是 150Hz。一 般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中， 由于 对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出 现的谐波电流是 6n 次谐波， 例如 5、7、11、13、17、19 等，变频器主要产生5、 7 次谐波。3 谐波的产生从结构上来看， 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

3、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。目前应用较多的还是间接变频器。间接变频器有三种不同的结构方式： （1）用可控整流器变压，用逆变器变频，调 压和调频分别是在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合； （2）用不控 整流器整流斩波器变压， 用逆变器变频， 这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽 调压； （3）用不控整流器整流，用PWM 逆变器变频，这种变频器只

4、有采用可控 关断的全控式器件（如IGBT 等） ，输出波形才会非常逼近正弦波。无论哪一种变频器， 都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，不管采用哪种 整流方式，变频器从电网中吸取能量的方式都不是连续的正弦波，而是以脉动的 断续方式向电网索取电流， 这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降 叠加在电网的电压上， 使电压发生畸变， 经傅里叶级数分析可知， 这种非同期正 弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。4 谐波的危害一般来讲，变频器对容量相对较大的电力系统影响不很明显，而对容量小的系统， 谐波产生的干扰就不可忽视， 它对公用电网是一种污染。 谐波污染对电力系统的 危

5、害是严重的，主要表现在：（1）谐波对供电线路产生了附加损耗。由于集肤效应和邻近效应，使线路电阻 随频率增加而提高， 造成电能的浪费； 由于中性线正常时流过电流很小，故其导 线较细，当大量的三次谐波流过中性线时，会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短 以至损坏；（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。对如发电机的旋转电机产生附加功率 损耗、发热、机械振动和噪声；对断路器，当电流波形过零点时，由于谐波的存 在可能造成高的 didt，这将使开断困难，并且延长故障电流的切除时间；（3）谐波使电网中的电容器产生谐振。工频下，系统装设的各种用途的电容器 比系统中的感抗要大得多， 不会产生谐振， 但谐波频率时， 感

6、抗值成倍增加而容 抗值成倍减少， 这就有可能出现谐振， 谐振将放大谐波电流， 导致电容器等设备 被烧毁；（4）谐波引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使 上述危害大大增加，甚至引起严重的责任事故；（5）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；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。5 谐波的抑制变频器给人们带来极大的方便、 高效率和巨大的经济效益的同时，对电

7、网注入了 大量的谐波和无用功， 使供电质量不断恶化。 另一方面， 随着以计算机为代表的 大量敏感设备的普及应用， 人们对公用电网的供电质量要求越来越高，许多国家 和地区已经制定了各自的谐波标准。我国也分别于 1984年和 1993年通过了“电 力系统谐波管理规定” 和“GB/T-14549-93标准” ，用以限制供电系统及用电设备 的谐波污染。抑制谐波的总体思路有三个： 其一是装置谐波补偿装置来补偿谐波；其二是对电 力系统装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控为1；其三是在电 网系统中采用适当的措施来抑制谐波。具体方法有以下几种：（1）采用适当的电抗器。 变频器的输入侧功率因数取决于

8、装置内部的AC/DC 变 换电路系统，可利用并联功率因数矫正DC 电抗器，电源侧串联AC 电抗器的方 法，使进线电流的 THDV 大约降低 30%50%，是不加电抗器谐波电流的一半左 右；（2）装设有源电力滤波器。除传统的LC 调试滤波器目前还在应用外，当前抑 制谐波的一个重要趋势是采用有源电力滤波器，它串联或是并联于主电路中， 实 时从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置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。 这种滤波器能对频率和幅 值都变化的谐波进行跟踪补偿，其特性不受系统的影响， 无谐波放大的危险， 因 而倍受关注，在日本等国已获得广泛应用；（3

9、）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；（4）使用滤波模块组件。目前市场上有很多专门用于抗传导干扰的滤波模块或 组件，这些滤波模块具有较强的抗干扰能力，同时还具有防用电器本身的干扰传 导给电源，有些还兼有吸收尖峰电压的功能，对各类用电设备大有益处；（5）开发新型的变流器。大容量的变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技 术。几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用PWM 逆变器可构成四象限

10、交流调速变频器， 这种变频器不但输出电压、 电流为正弦波， 而且输入电流也为 正弦波，且功率因数为1，还可以实现能量的双向传递，代表了这一技术的发展 方向； （6）选用 D-YN11 接线组别的三相配电变压器。三相变压器中把高压侧绕组接 成三角形，低压绕组为星型且中性点和 “11” 连接以保证相电动势接近于正弦形， 从而避免了相电动势波形畸变的影响。此时，由地区低压电网供电的220V 负荷， 线路电流不会超过30A，可用 220V 单相供电，否则应以220/380V 三相四线供 电；减少或削弱变频器谐波的方法还有：（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

11、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）信号线与动力线分开配线，尽量使用双胶线降低共膜干扰；（5）选用具有开关电源的仪表等低压电器；（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，以增加系统自身的抗干扰能力。6 小结 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，给公用电网带来了一定的破坏，成为电网 主要污染源之一，所以，分析和研究抑制谐波的方法将成为一个非常重要的课题。作好信号线的抗干扰信

12、号线承担着检测信号和控制信号的传输任务，毋庸置疑，信号传输的质量直接 影响到整个控制系统的准确性、 稳定性和可靠性， 因此做好信号线的抗干扰是十 分必要的。对于信号线上的干扰主要是来自空间的电磁辐射，有常态干扰和共模干扰两种。常态干扰的抑制常态干扰是指叠加在测量信号线上的干扰信号，这种干扰大多 是频率较高的交变信号，其来源一般是耦合干扰。抑制常态干扰的方法有：（1）在输入回路接 RC 滤波器或双 T 滤波器。（2）尽量采用双积分式A/D 转换器，由于这种积分器工作的特点，具有一定的 消除高频干扰的作用。（3）将电压信号转换成电流信号再传输的方式，对于常态的干扰有非常强的抑 制作用。共模干扰的抑

13、制共模干扰是指信号线上共有的干扰信号，一般是由于被测信号 的接地端与控制系统的接地端存在一定的电位差所制，这种干扰在两条信号线上 的周期、幅值基本相等， 所以采用上面的方法无法消除或抑制。对共模干扰的抑 制方法如下：（1）采用双差分输入的差动放大器，这种放大器具有很高的共模抑制比。（2）把输入线绞合，绞合的双绞线能降低共模干扰，由于改变了导线电磁感应 e的方向，从而使其感应互相抵消，如图6 示。（3）采用光电隔离的方法，可以消除共模干扰。（4）使用屏蔽线时，屏蔽层只一端接地。因为若两端接地，由于接地电位差在 屏蔽层内会流过电流而产生干扰，因此只要一端接地即可防止干扰。无论是为了抑制常态干扰还是

14、抑制共模干扰，都还应该做到以下几点：（1）输入线路要尽量短。（2）配线时避免和动力线接近，信号线与动力线分开配线，把信号线放在有屏 蔽的金属管内，或者 动力线和信号线分开距离要在40cm 以上。（3）为了避免信号失真，对于较长距离传输的信号要注意阻抗匹配。5在使用以单片机、 PLC、计算机等为核心的控制系统中，编制软件的时候， 可以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。五、总结干扰的分布参数是很复杂的， 因此在抗干扰时， 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。 采用的措施只要能解决问 题即可，往往过多的抗干扰措施有可能会产生额外的干扰，具体情况具体解决。