Abstract：This paper introduces the theory of harmonics of inverter emergency on the basis of analysis of inverter basic structure．In the meantime，it also mentions the damage to the power equipments and inverter．And in the end，it presents some measures to control and restrain the harmonics．
1 引言
在交流电机调速方式中，采用变频器驱动的控制系统因其节能效果明显、精度高、运行可靠、调节方便、维护简单、网络化等优点，已经广泛应用于电力、机械、工业、生活等各个领域。变频器主要由整流电路、逆变电路、控制电路组成，其中整流电路和逆变电路由电力电子器件组成。电力电子器件具有非线性特性，当变频器运行时，它要进行快速开关动作，这样就会产生高次谐波。同时变频器本身的输入则是一个非线性整流电路，特别是中高压变频器容量大，又直接接入高压电网，这样变频器输出波形除基波外还有大量的高次谐波，对负载及临近设备产生干扰，输入端的谐波还会通过输入电源线对公用电网产生影响。
2 谐波的基本概念
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50 Hz时，2次谐波为100Hz，5次谐波则是250 Hz。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6 n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、l9等，变频器主要产生5、7次谐波。谐波定义的示意图如图1所示。
图1 谐波定义示意图
3 谐波的产生
变频器可分为间接变频和直接变频两大类。间接变频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的交流。直接变频则将工频交流变成可控频率的交流，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线路。正反两组按一定的周期相互切换，在负荷上就获得了交变输出的电压，其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形式：一是用可控整流器变压，逆变器变频，调压调频分别在两个环节上进行，两者在控制电路上协调配合；二是用不可控整流器整流斩波器变压、逆变器变频，这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽调压；三是用不可控整流器整流，PWM逆变器同时变频，这种变频器只有采用可控关断的全控式器件输出波形才会输出非常逼真的正选波。
无论是哪一种变频器，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，而是从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，经傅立叶原理分析可知，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
通常来讲，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害是严重的，主要表现在以下几个方面。
（1）谐波使公用电网元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备使用率。如电流谐波将会使变压器的铜损增加。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。同时谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振。
（2）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。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。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。
（3） 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。[1，2]
5 抑制变频器谐波的方法
5.1 变流回路的多重化
对于大容量的变频器，可以在变频器的输入端装设专用的电源输入变压器，将电源侧变流器分为2个，利用该变压器使输入电流的相位错开，以多重化来抑制变频器向电源侧的高次谐波。
5.2 安装交流／直流电抗器
安装电抗器实际是从外部增加变频器供电电源的阻抗，在变频器的交流侧或直流侧安装电抗器或同时安装，可以抑制谐波电流。采用交流／直流电抗器后，如图2所示，进线电流的 （电压畸变率）大约降低30％～50％，是不加电抗器谐波电流的1／2左右。
图2 使用交流／直流电抗器的原理图
5.3 安装有源电力滤波器
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。
5.4 增加变频器供电电源内阻抗
通常情况下，电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用。这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。电源容量相对变频器容量越小，内阻抗值相对越大，谐波含量越小；电源容量相对变频器容量越大，则内阻抗值相对越小，谐波含量越大。所以选择变频器供电电源变压器时，最好选择短路阻抗大的变压器。
5.5 安装输出电抗器
也可以采用在变频器到电动机之间增加交流电机器的方法，主要目的是减少变频器的输出在能量传输过程中，线路产生的电磁辐射。如图3所示，该电抗器必须安装在距离变频器最近的地方，尽量缩短与变频器的引线距离。如果使用铠装电缆作为变频器与电动机的连线时，可不使用这方法，但要做到电缆的铠在变频器和电动机端可靠接地，而且接地的铠要原样不动接地，不能扭成绳或辫，不能用其他导线延长，变频器侧要接在变频器的地线端子上，再将变频器接地。
图3 使用输出电抗器的原理图
5.6 调节变频器的载波比
提高变频器载波比，可有效抑制低次谐波。只要载波比足够大，较低次谐波就可以被有效地抑制，特别是参考波幅值与载波幅值小于1时，13次以下的奇数谐波不再出现。
5.7 开发新型变流器
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，可构成四象限交流调速变频器，这种变频器不但输出电压和流为正弦波，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 设备自身减弱谐波及干扰的方法
6.1 使用隔离变压器
使用隔离变压器主要是应对来自于电源的传导干扰，如图4所示。使用具有隔离层的隔离变压器，可以将绝人部分的传导干扰隔离在隔离变压器之前。同时还可以兼有电源电压变换的作用。隔离变压器常用于控制系统中的仪表、PLC，以及其他低压小功率用电设备的抗传导干扰。
图4 使用隔离变压器的原理图
6.2 使用滤波模块和组件
目前市场中有很多专门用于抗传导干扰的滤波器模块或组件，这些滤波器具有较强的抗干扰能力，同时还能防止用电器本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能，对各类用电设备有很多好处。
6.3 接地抗干扰
接地是抑制噪声和防止干扰的重要手段，良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。变频器的接地方式有多点接地、一点接地及经母线接地等几种形式，要根据具体情况采用，注意不要因为接地不良而对设备产生干扰。
6.4 做好信号线的抗干扰
信号线承担着检测信号和控制信号的传输任务，毋庸质疑，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。
7 结束语
变频器的使用给人们带来了方便和巨大的利益，它必将得到更为普遍的使用。但由于变频器自身的构造，变频器产生谐波是不可避免的，在工作应用中我们只能尽可能的抑制谐波和减少谐波对外界的影响。本文只提到一部分变频器谐波的影响和解决谐波影响的措施，关于变频器谐波的问题还有很大的探讨空间。
作者简介：王平（1982－），男，山东省青岛市人，山东轻工业学院硕士研究生，研究方向为复杂工业过程控制。
通讯地址：（250353）山东省长清区山东轻工业学院245#信箱。
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作者：王平
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