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摘要：随着工业生产自动化技术的逐步提高，变频器使用范围的逐步加大，变频器高次谐波带来的电磁干扰和污染问题也越来越严重，变频器系统的谐波干扰和污染问题也越来越突出，尤其是在高精度仪表和微电子控制系统等应用中，谐波干扰问题尤为突出。怎样处理好变频器系统的谐波污染对于变频器的进一步推广应用，特别是在对谐波污染要求高的场所尤为关键，本文针对变频器谐波干扰的防范与处理措施进行了研究。关键词：变频器；高次谐波；干扰；隔离•
Abstract: How to deal with the harmonic pollution of the inverter system for the further application of the inverter, especially in places which require the high harmonic pollution, this paper analyzes the prevention and treatment measures of the inverter harmonic interference were studied.Key words: converter; high harmonic; interference; isolation
中图分类号：R472.6文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
一、变频器谐波产生机理
在电源侧有整流回路的非线性设备，都将因其非线性而产生高次谐波。变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入的工频电源经晶闸管三相桥路整流成直流，经电容器滤波后逆变为频率可变的交流电。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和高次谐波，谐波次数通常为6N±1。如果电源侧电抗换流重叠!可以忽略，那么第"次高次谐波电流的有效值为基波电流的1/K。
二、高次谐波危害
谐波问题由来已久，近年来这一问题由于两个因素的共同作用变得更加严重，这两个因素是：工业界为提高生产效率和可靠性而广泛使用变频器等电力电子装置，使得与晶闸管相关设备的使用迅猛增长，并伴随着谐波源的同步增加和放大；电力用户为改善功率因数而大量增加使用电容器组，并联电容器以谐振的方式加重了谐波的危害。
非线性负荷产生的谐波电流注入电网，使变压器低压侧谐波电压升高，低压侧负荷由于谐波干扰而影响正常工作，另一方面谐波电压又通过供电变压器传递到高压侧干扰其他用户。
在三相回路中，3的整数倍次谐波电流是零序电流，零序电流在中性线中是相互叠加的。零序谐波电流主要是由三相四线制非线性设备产生的，使供电系统中的中性线电流很大。当中性线上有较大的谐波电流时，中性导线的阻抗在谐波下能产生大的中性线电压降，此中性线电压降以共模干扰形式干扰计算机和各种微电子系统的正常工作，使控制设备和精密仪器工作不可靠，且故障率高。高次谐波的危害具体表现在以下几个方面：
1）变压器。谐波电流和谐波电压将增加变压器铜损和铁损，结果使变压器温度上升，影响绝缘能力，造成容量裕度减小，谐波还能产生共振及噪声。
2）异步电动机。谐波同样使电动机铜损和铁损增加且温度上升，同时谐波电流会改变电磁转距，产生振动力矩，使电动机发生周期性转速变动，影响输出效率并发出噪声。
3）开关设备。由于谐波电流使开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率，使暂态恢复峰值电压增大，破坏绝缘，还会引起开关跳脱并引起误动作。保护电器电流中含有的谐波会产生额外转距，改变电器动作特性，引起误动作，甚至改变其操作特性或烧毁线圈。
4）计量仪表。计量仪表因为谐波会造成感应盘产生额外转矩，引起误差，降低精度甚至烧毁线圈。5）电力电子设备。电力电子设备通常靠精确电源零交叉原理或电压波形的形态来控制和操作，若电压有谐波成分时，零交叉移动或波形改变以致造成许多误动作。计算机和一些其他电子设备，通常要求总谐波电压畸变率小于5%，且个别谐波电压畸变率低于3%，较高的畸变量可导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断，导致较大的经济损失。
6）电力电缆。高频谐波电流会在导体中引起集肤效应，产生额外温升增加铜耗。特别是零序的(次谐波电流在中性线中是相互叠加的，使供电系统中的中性线电流很大，有的中性线上的电流还会超过相电流，使中性线发热，加速绝缘层老化，甚至引起火灾。此外当中性线上有较大的谐波电流时，导线的阻抗能产生大的中性线电压降，干扰各种微电子系统的正常工作。
7）电力电容器。高次谐波由于频率增大，电容器对高次谐波阻抗减小，因过电流而导致温度升高过热甚至损坏电容器；电容器与系统中的感性负荷构成的并联或串联电路，还有可能发生谐波共振，放大谐波电流或电压加重谐波的危害。经由电容器组电容和电网电感形成的并联谐振回路，可被放大到10-15倍。
三、变频器高次谐波干扰的解决途径高次谐波主要通过传导和感应耦合两种方式对电源及邻近用电设备产生谐波污染。传导是指高次谐波按各自的阻抗分流到电源系统和并联的负载，对并联的电气设备产生干扰；感应耦合是指谐波在传导的过程中，与此电源线平行敷设的导线又会产生电磁耦合并形成感应干扰。在实际工业生产中为消除变频器高次谐波对电气设备的干扰，主要从抑制干扰源，切断干扰对系统的耦合通道并且避免功率补偿电容器与系统谐振两个方面解决。解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频谐波电流滤掉或者隔离；合理布置干扰源和被干扰线路的距离和走向，可避免或减少耦合产生。
四、两起工程干扰解决措施 1.故障现象 在两项45000 m32空分工程中，液氧泵電动机为380V/315kW，为变频器控制，一个型号为ABB ACS800}4P/315 kW;另一个为艾默生4T4000P/315 kW，变频器设不都放在空分低压配电室，低压室距液氧泵均在230m左右。
在工程试车时，汽轮机带空压机和增压机运行，汽轮机、空压机和增压机运行正常，但一旦开液氧泵，当变频器负荷加到40%左右，机组的二线制和四线制模拟量测量点和液氧泵电动机附近的测量点，如压力、振动、位移、转速和温度等部分超过测量规定上限，导致机组跳车。经过几次开车试验，影响结果一致。经过电气技术人员的查找和分析，凡是与变频器出线电缆在同一个桥架的如压力、振动、位移、转速和温度等测量点在变频器起动后不正常，其他不在同一桥架的却很正常。
2.解决方案
针对电气技术人员的分析，检查所有仪表信号电缆接地是否良好，测量桥架接地电阻。经过测量接地共处理信号接地不良8处，原桥架接地点3处。根据两个工程安装的不同特点和工程实际情况，决定将ABB ACS800-315 kW变频器移到液氧泵附近，开车试验后，所有仪表指不正常;将艾默生4T4000P/315 kW变频器到液氧泵电动机的电缆进行重新走向布置，与原桥架尽量不平行布置，即便是平行布置段直线距离保持在1.5m以上，并对桥架全部封闭，增加接地点，输出电缆采用屏蔽电缆，做好接地措施，并日在变频器的输入、输出端都加装电抗器。经过改造后，开车后所有仪表指不恢复正常。
3.技术分析
变频器高次谐波带来的电磁干扰和污染问题越来越严重，变频器系统的谐波干扰和污染问题也越来越突出，怎样处理好变频器系统的谐波干扰污染成了对变频器进一步推广应用，特别是在对谐波污染要求高的场所推广应用的关键。
4.隔离措施
隔离技术是电磁兼容性中的重要技术之一。所谓干扰的隔离，是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。
1）在变频器交流输入侧安装交流电抗器，增大整流阻抗使整流重叠角增大，减小高次谐波电流。
2）使所有的信号线很好地绝缘，使其不可能漏电，防止由于接触引入干扰。
3）将不同种类的信号线隔离敷设（在不同电缆槽中划用隔板隔开），可根据信号不同类型将其按抗噪声干扰的能力分成几等，单独走电缆或电缆槽。
5.接地措施
接地的作用有两类：一是保护人和设备不受损害（保护接地）；二是抑制干扰（工作接地）。正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。为了使变频控制系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度，必须为变频器设立可靠的工作接地。它分为电源地、信号地和模拟地，在石化和其他防爆系统中还有本安地。变频器的各种接地在没汇到接地汇流排前，彼此之间应保证绝缘以避免接地干扰。
6.反谐振措施
谐波对连接在功率因数电路中的电容器是非常危险的，电容器的电容与电网的电感形成了一个谐振电路，通常这个谐振电路的自谐振频率一般位于200-500，即在5和7次谐波范围内。当电网中存在的谐波频率与自谐振频率相近时，有可能使谐波电流放大到正常的20倍左右。受谐波影响的电网不能采用常规的电容器来做无功补偿。当系统上存在谐波时，使用调谐滤波电容器组是功率因数补偿的最佳方法之一。由电容器和电抗器串联组成的非调谐滤波电容器组，可以在基波频率段补偿无功功率，同时解调谐振电路的自谐振频率。
调协滤波电容器组由数段电容器及调谐电抗器组合而成，何段形成串联共振回路，使共振频率低于最低的谐波频率。对含有5次以上谐波的系统使用带6%电抗器的调谐式电容器组;对含有3次以上谐波的系统，使用带14%电抗器的调谐式电容器组。在基波频率(50 Hz)下，调谐滤波电容器组呈现电容性，以提供无功功率;而在V波频率下，则呈现电感性，故与网络不会形成并联共振回路，亦即不会造成谐波放大。因此，调V滤波电容器组可安全补偿无功功率，亦可消除低次谐波电流约30% o 7.滤波技术 滤波器能有效地抑制谐波的传导干扰。在低压电网中，当谐波电流畸变率THD > 10%，或谐波电压畸变率THDv > 3%时一，可考虑。
Abstract: How to deal with the harmonic pollution of the inverter system for the further application of the inverter, especially in places which require the high harmonic pollution, this paper analyzes the prevention and treatment measures of the inverter harmonic interference were studied.Key words: converter; high harmonic; interference; isolation
中图分类号：R472.6文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
一、变频器谐波产生机理
在电源侧有整流回路的非线性设备，都将因其非线性而产生高次谐波。变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入的工频电源经晶闸管三相桥路整流成直流，经电容器滤波后逆变为频率可变的交流电。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和高次谐波，谐波次数通常为6N±1。如果电源侧电抗换流重叠!可以忽略，那么第"次高次谐波电流的有效值为基波电流的1/K。
二、高次谐波危害
谐波问题由来已久，近年来这一问题由于两个因素的共同作用变得更加严重，这两个因素是：工业界为提高生产效率和可靠性而广泛使用变频器等电力电子装置，使得与晶闸管相关设备的使用迅猛增长，并伴随着谐波源的同步增加和放大；电力用户为改善功率因数而大量增加使用电容器组，并联电容器以谐振的方式加重了谐波的危害。
非线性负荷产生的谐波电流注入电网，使变压器低压侧谐波电压升高，低压侧负荷由于谐波干扰而影响正常工作，另一方面谐波电压又通过供电变压器传递到高压侧干扰其他用户。
在三相回路中，3的整数倍次谐波电流是零序电流，零序电流在中性线中是相互叠加的。零序谐波电流主要是由三相四线制非线性设备产生的，使供电系统中的中性线电流很大。当中性线上有较大的谐波电流时，中性导线的阻抗在谐波下能产生大的中性线电压降，此中性线电压降以共模干扰形式干扰计算机和各种微电子系统的正常工作，使控制设备和精密仪器工作不可靠，且故障率高。高次谐波的危害具体表现在以下几个方面：
1）变压器。谐波电流和谐波电压将增加变压器铜损和铁损，结果使变压器温度上升，影响绝缘能力，造成容量裕度减小，谐波还能产生共振及噪声。
2）异步电动机。谐波同样使电动机铜损和铁损增加且温度上升，同时谐波电流会改变电磁转距，产生振动力矩，使电动机发生周期性转速变动，影响输出效率并发出噪声。
3）开关设备。由于谐波电流使开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率，使暂态恢复峰值电压增大，破坏绝缘，还会引起开关跳脱并引起误动作。保护电器电流中含有的谐波会产生额外转距，改变电器动作特性，引起误动作，甚至改变其操作特性或烧毁线圈。
4）计量仪表。计量仪表因为谐波会造成感应盘产生额外转矩，引起误差，降低精度甚至烧毁线圈。5）电力电子设备。电力电子设备通常靠精确电源零交叉原理或电压波形的形态来控制和操作，若电压有谐波成分时，零交叉移动或波形改变以致造成许多误动作。计算机和一些其他电子设备，通常要求总谐波电压畸变率小于5%，且个别谐波电压畸变率低于3%，较高的畸变量可导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断，导致较大的经济损失。
6）电力电缆。高频谐波电流会在导体中引起集肤效应，产生额外温升增加铜耗。特别是零序的(次谐波电流在中性线中是相互叠加的，使供电系统中的中性线电流很大，有的中性线上的电流还会超过相电流，使中性线发热，加速绝缘层老化，甚至引起火灾。此外当中性线上有较大的谐波电流时，导线的阻抗能产生大的中性线电压降，干扰各种微电子系统的正常工作。
7）电力电容器。高次谐波由于频率增大，电容器对高次谐波阻抗减小，因过电流而导致温度升高过热甚至损坏电容器；电容器与系统中的感性负荷构成的并联或串联电路，还有可能发生谐波共振，放大谐波电流或电压加重谐波的危害。经由电容器组电容和电网电感形成的并联谐振回路，可被放大到10-15倍。
三、变频器高次谐波干扰的解决途径高次谐波主要通过传导和感应耦合两种方式对电源及邻近用电设备产生谐波污染。传导是指高次谐波按各自的阻抗分流到电源系统和并联的负载，对并联的电气设备产生干扰；感应耦合是指谐波在传导的过程中，与此电源线平行敷设的导线又会产生电磁耦合并形成感应干扰。在实际工业生产中为消除变频器高次谐波对电气设备的干扰，主要从抑制干扰源，切断干扰对系统的耦合通道并且避免功率补偿电容器与系统谐振两个方面解决。解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频谐波电流滤掉或者隔离；合理布置干扰源和被干扰线路的距离和走向，可避免或减少耦合产生。
四、两起工程干扰解决措施 1.故障现象 在两项45000 m32空分工程中，液氧泵電动机为380V/315kW，为变频器控制，一个型号为ABB ACS800}4P/315 kW;另一个为艾默生4T4000P/315 kW，变频器设不都放在空分低压配电室，低压室距液氧泵均在230m左右。
在工程试车时，汽轮机带空压机和增压机运行，汽轮机、空压机和增压机运行正常，但一旦开液氧泵，当变频器负荷加到40%左右，机组的二线制和四线制模拟量测量点和液氧泵电动机附近的测量点，如压力、振动、位移、转速和温度等部分超过测量规定上限，导致机组跳车。经过几次开车试验，影响结果一致。经过电气技术人员的查找和分析，凡是与变频器出线电缆在同一个桥架的如压力、振动、位移、转速和温度等测量点在变频器起动后不正常，其他不在同一桥架的却很正常。
2.解决方案
针对电气技术人员的分析，检查所有仪表信号电缆接地是否良好，测量桥架接地电阻。经过测量接地共处理信号接地不良8处，原桥架接地点3处。根据两个工程安装的不同特点和工程实际情况，决定将ABB ACS800-315 kW变频器移到液氧泵附近，开车试验后，所有仪表指不正常;将艾默生4T4000P/315 kW变频器到液氧泵电动机的电缆进行重新走向布置，与原桥架尽量不平行布置，即便是平行布置段直线距离保持在1.5m以上，并对桥架全部封闭，增加接地点，输出电缆采用屏蔽电缆，做好接地措施，并日在变频器的输入、输出端都加装电抗器。经过改造后，开车后所有仪表指不恢复正常。
3.技术分析
变频器高次谐波带来的电磁干扰和污染问题越来越严重，变频器系统的谐波干扰和污染问题也越来越突出，怎样处理好变频器系统的谐波干扰污染成了对变频器进一步推广应用，特别是在对谐波污染要求高的场所推广应用的关键。
4.隔离措施
隔离技术是电磁兼容性中的重要技术之一。所谓干扰的隔离，是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。
1）在变频器交流输入侧安装交流电抗器，增大整流阻抗使整流重叠角增大，减小高次谐波电流。
2）使所有的信号线很好地绝缘，使其不可能漏电，防止由于接触引入干扰。
3）将不同种类的信号线隔离敷设（在不同电缆槽中划用隔板隔开），可根据信号不同类型将其按抗噪声干扰的能力分成几等，单独走电缆或电缆槽。
5.接地措施
接地的作用有两类：一是保护人和设备不受损害（保护接地）；二是抑制干扰（工作接地）。正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。为了使变频控制系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度，必须为变频器设立可靠的工作接地。它分为电源地、信号地和模拟地，在石化和其他防爆系统中还有本安地。变频器的各种接地在没汇到接地汇流排前，彼此之间应保证绝缘以避免接地干扰。
6.反谐振措施
谐波对连接在功率因数电路中的电容器是非常危险的，电容器的电容与电网的电感形成了一个谐振电路，通常这个谐振电路的自谐振频率一般位于200-500，即在5和7次谐波范围内。当电网中存在的谐波频率与自谐振频率相近时，有可能使谐波电流放大到正常的20倍左右。受谐波影响的电网不能采用常规的电容器来做无功补偿。当系统上存在谐波时，使用调谐滤波电容器组是功率因数补偿的最佳方法之一。由电容器和电抗器串联组成的非调谐滤波电容器组，可以在基波频率段补偿无功功率，同时解调谐振电路的自谐振频率。
调协滤波电容器组由数段电容器及调谐电抗器组合而成，何段形成串联共振回路，使共振频率低于最低的谐波频率。对含有5次以上谐波的系统使用带6%电抗器的调谐式电容器组;对含有3次以上谐波的系统，使用带14%电抗器的调谐式电容器组。在基波频率(50 Hz)下，调谐滤波电容器组呈现电容性，以提供无功功率;而在V波频率下，则呈现电感性，故与网络不会形成并联共振回路，亦即不会造成谐波放大。因此，调V滤波电容器组可安全补偿无功功率，亦可消除低次谐波电流约30% o 7.滤波技术 滤波器能有效地抑制谐波的传导干扰。在低压电网中，当谐波电流畸变率THD > 10%，或谐波电压畸变率THDv > 3%时一，可考虑。