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[摘要]本文通过介绍高次谐波的产生，阐述了高次谐波对变频调速系统以及对电机的危害和影响，并通过油田集输站外输泵变频控制中的实例分析，提出了控制高次谐波的一些具体的、合理的处理方向和解决技术，实现生产过程的稳定与能耗控制。
[关键词]高次谐波 电机危害 实际运用 处理方向
中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）13-0073-01
一、高次谐波的产生原因
电子技术的发展使得利用脉冲调制技术和矢量控制、微机控制等得到了广泛的应用，其中变频调速技术已经日趋成熟并应于各类电机控制上。其工作的基本原理就是在输入端对电流进行频率调整，以此控制电机的运转工况。在通用变频器的输入电路中，常由二极管全桥整流电路和直流侧电容器所组成，这种电路构成会因为抗阻差异而产生波形差异，所以在电源侧存在整流回路的都会产生分线性谐波，在三相桥式整流回路中，输入电流的波形为矩形，波形将按照傅里叶级数进行分解，进而形成基波+谐波的形态。而在输出侧，电压型变频器产生的电磁波是矩形板，其中谐波频率的高低与变频器的频率相关，调制频率高则谐波也高。
二、高次谐波对变频器系统的危害
在电网中一些非线性负载所产生谐波电流，可以在某些电气设备上产生危害常见于变压器、电容器、电动机、发电机等等，在油田中的输油泵站中，其对变频调速系统的危害较大，主要是影响其对电流频率的控制，由此影响输油泵的运行。在谐波作用下电压与电流都会产生畸变，尤其是高频谐波对这个改变影响更大，其造成后果为各种电器设备异常发热，增加损耗形成系统电压过载而失控。这与工频电流相比对电机的影响主要表现在电压的畸形波会导致三相电机出现过热，如果长期存在谐波会对电动机的运行稳定性产生威胁，从而降低电机的使用寿命。而在变频系统中，因为变频的工作原理就是改变流过电机的电流频率来实现对电机进行速度控制进而实现对泵送量的改变，如果系统在运行中遇到畸变电流就将对系统产生负面影响，导致整个系统在某个瞬时出现过载的情况，从而导致电机在运行中出现速度改变使其负载出现过载的情况，进而影响油泵的运行平稳定，这样就是去了对油泵进行变频控制的意义。
在实践中发现，电力高次谐波会对电机产生以下影响：1）电机本身的温度升高，这是因为高次谐波对于电流的消耗是过载的，即集肤效应增加，引起电机在变频控制下进行全速输出时，其消耗的能力要大于工频下的运行损耗，所以发热集中；2）轴电压的影响，高次谐波流经配电线路中的寄生电容就会产生轴向的电压，以及轴向电流，对于轴承的压力会过大进而影响轴承的寿命；3）在异常脉冲的影响下，轴距和转矩会出现共振，从而导致输油泵出现异常震动而失去稳定性。这些负面影响在泵房电机上较为常见，在实际应用中表现为电机出现高温且容易烧毁，本文将对某油田泵房出现的故障进行分析。
三、实际生产实例分析
在实际生产中，为了实现对输油的智能化控制与降低能耗，集输站的原油外输泵基本都设置了变频调速的功能，但在实际应用中不到12个月的时间，频繁出现电机过载烧毁的情况。于是，针对这个问题进行了原因分析，考虑因素有以下几点：1、电机的负载过大，而在实际的检测中其电压和电流均未超过额定范围，该因素被排除；2、电机安装导致的轴向失稳进而影响运行载荷额形成过载，检测中排除了此类问题；3、轴承间隙过小导致电机运行过载而烧毁，这个问题也在检测中排除；4、谐波干扰，在现场对整个系统进行了谐波检测，在同样的载荷下，变频运行时电机的温度发生了改变，其运行温度高于工频下的工况，轴承的温度也是如此，这就说明变频控制的过程中产生了谐波且影响了电机的运行异常，温度过高而导致了电机损坏。
在随后的针对性测试中，对变频输出的谐波问题进行专门的研究，对电压和电流的畸变进行了测试。在测试中，三相基波电压和电流的有效值成了测试的参考，并在测定中描述了高次谐波的有效值和基波有效值的比例。从研究中发现，高次谐波对电压和电流都产生了较大的影响，从现场的情况看，变频器负载运行的时候，三相电流上的高次谐波出现了累积与叠加，其比例都已经达到了各项电流有效值的4成左右；三相电压上的高次谐波累积与叠加则达到了各项电压有效值的5成以上。而在空载的时候，电压和电流的高次谐波危害则更加严重，都超过了系统可以承受的范围。以上测试结果说明，在变频调速系统中存在较为严重的谐波危害，这是导致电机烧毁的直接原因，必须进行消除。
四、高次谐波的控制措施
在通常情况下，对谐波的控制有以下措施，屏蔽谐波干扰、隔离谐波源、接地或者滤波等技术措施。其中如：采用有源或者无源滤波器的安装、增加变压器的容量减少回路抗阻、利用无谐波产生的绿色变频器等。结合集输站的生产实际，可以考虑滤波器或者绿色变频器的方式来降低高次谐波的干扰。
使用无源滤波器或者有源滤波器都是在改变特频率下电源的阻抗性能，其无源滤波器主要是针对稳定不改变的系统中，而有源滤波器则是应用在补偿性非线性负荷条件下。传统的方式选择的是无源滤波器作为控制高次谐波的方式，其重要原因是该技术出现的较早，且在设备结构上简单成本低，运行的可靠性高。目前无源滤波也是一直控制谐波的重要措施，如采用的LC滤波装置，其滤波结构为滤波电容、电抗器、电阻等进行适当的组合，从而达到消耗谐波能力的目的。将其与谐波源进行并联，在进行滤除谐波的同时也可实现无功补偿，不过该装置存在一定缺陷，主要是容易过载，且在过载烧毁后必须进行更换，增加了工作量。
有源滤波器的种类较多，这种滤波器对频率和幅值可以随时跟踪和补偿发生改变的谐波，且补偿的效果不会因为电网的情况而受到影响。有源滤波器在上世纪中形成，随后在材料技术的推动下，脉冲宽度调制的技术已经成熟，使得有源滤波器的技术高速发展起来，其基本的原理就是检测谐波电力。因为补偿装置会产生一个与谐波相互抵消的电流频谱，即工作时会对电路中的谐波电流进行抵消，这样就使得电流在电路中只剩下基波电流。其核心的器件就是谐波电流的发生与控制系统，即工作数字信号处理芯片与快速双极晶体管。
五、结束语
经过对问题的分析，认为在油田变频器谐波的控制中可以采用有源滤波设备进行控制，也可根据实际的能耗情况与成本支出而取消变频控制模式，而恢复工频控制。但是工频控制中必须要合理的控制电流与电压的输入，总之应根据实际的情况来选择控制高次谐波的措施，做到方便合理，易于维护。
参考文献
[1] 李忠福.电网高次谐波的危害、规律及抑制[J].电气开关.2009.（02）.
[2] 马长明.谐波对供电质量的影响及谐波消除技术探讨[J].科技创新导报.2009.（26）.
[3] 罗维平，吴雨川，薛勇.光伏并网发电系统中的谐波测量及分析[J].中国电力.2009.（12）.
[4] 杨林.高次谐波产生的主要原因、危害及其抑制措施[J].中国科技信息.2007.（17）.
[5] 戴宪滨，赵毅，李荣毅.电力系统中高次谐波的危害及其限制方法[J]. 沈阳工程学院学报（自然科学版）.2008.（04）.
[关键词]高次谐波 电机危害 实际运用 处理方向
中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）13-0073-01
一、高次谐波的产生原因
电子技术的发展使得利用脉冲调制技术和矢量控制、微机控制等得到了广泛的应用，其中变频调速技术已经日趋成熟并应于各类电机控制上。其工作的基本原理就是在输入端对电流进行频率调整，以此控制电机的运转工况。在通用变频器的输入电路中，常由二极管全桥整流电路和直流侧电容器所组成，这种电路构成会因为抗阻差异而产生波形差异，所以在电源侧存在整流回路的都会产生分线性谐波，在三相桥式整流回路中，输入电流的波形为矩形，波形将按照傅里叶级数进行分解，进而形成基波+谐波的形态。而在输出侧，电压型变频器产生的电磁波是矩形板，其中谐波频率的高低与变频器的频率相关，调制频率高则谐波也高。
二、高次谐波对变频器系统的危害
在电网中一些非线性负载所产生谐波电流，可以在某些电气设备上产生危害常见于变压器、电容器、电动机、发电机等等，在油田中的输油泵站中，其对变频调速系统的危害较大，主要是影响其对电流频率的控制，由此影响输油泵的运行。在谐波作用下电压与电流都会产生畸变，尤其是高频谐波对这个改变影响更大，其造成后果为各种电器设备异常发热，增加损耗形成系统电压过载而失控。这与工频电流相比对电机的影响主要表现在电压的畸形波会导致三相电机出现过热，如果长期存在谐波会对电动机的运行稳定性产生威胁，从而降低电机的使用寿命。而在变频系统中，因为变频的工作原理就是改变流过电机的电流频率来实现对电机进行速度控制进而实现对泵送量的改变，如果系统在运行中遇到畸变电流就将对系统产生负面影响，导致整个系统在某个瞬时出现过载的情况，从而导致电机在运行中出现速度改变使其负载出现过载的情况，进而影响油泵的运行平稳定，这样就是去了对油泵进行变频控制的意义。
在实践中发现，电力高次谐波会对电机产生以下影响：1）电机本身的温度升高，这是因为高次谐波对于电流的消耗是过载的，即集肤效应增加，引起电机在变频控制下进行全速输出时，其消耗的能力要大于工频下的运行损耗，所以发热集中；2）轴电压的影响，高次谐波流经配电线路中的寄生电容就会产生轴向的电压，以及轴向电流，对于轴承的压力会过大进而影响轴承的寿命；3）在异常脉冲的影响下，轴距和转矩会出现共振，从而导致输油泵出现异常震动而失去稳定性。这些负面影响在泵房电机上较为常见，在实际应用中表现为电机出现高温且容易烧毁，本文将对某油田泵房出现的故障进行分析。
三、实际生产实例分析
在实际生产中，为了实现对输油的智能化控制与降低能耗，集输站的原油外输泵基本都设置了变频调速的功能，但在实际应用中不到12个月的时间，频繁出现电机过载烧毁的情况。于是，针对这个问题进行了原因分析，考虑因素有以下几点：1、电机的负载过大，而在实际的检测中其电压和电流均未超过额定范围，该因素被排除；2、电机安装导致的轴向失稳进而影响运行载荷额形成过载，检测中排除了此类问题；3、轴承间隙过小导致电机运行过载而烧毁，这个问题也在检测中排除；4、谐波干扰，在现场对整个系统进行了谐波检测，在同样的载荷下，变频运行时电机的温度发生了改变，其运行温度高于工频下的工况，轴承的温度也是如此，这就说明变频控制的过程中产生了谐波且影响了电机的运行异常，温度过高而导致了电机损坏。
在随后的针对性测试中，对变频输出的谐波问题进行专门的研究，对电压和电流的畸变进行了测试。在测试中，三相基波电压和电流的有效值成了测试的参考，并在测定中描述了高次谐波的有效值和基波有效值的比例。从研究中发现，高次谐波对电压和电流都产生了较大的影响，从现场的情况看，变频器负载运行的时候，三相电流上的高次谐波出现了累积与叠加，其比例都已经达到了各项电流有效值的4成左右；三相电压上的高次谐波累积与叠加则达到了各项电压有效值的5成以上。而在空载的时候，电压和电流的高次谐波危害则更加严重，都超过了系统可以承受的范围。以上测试结果说明，在变频调速系统中存在较为严重的谐波危害，这是导致电机烧毁的直接原因，必须进行消除。
四、高次谐波的控制措施
在通常情况下，对谐波的控制有以下措施，屏蔽谐波干扰、隔离谐波源、接地或者滤波等技术措施。其中如：采用有源或者无源滤波器的安装、增加变压器的容量减少回路抗阻、利用无谐波产生的绿色变频器等。结合集输站的生产实际，可以考虑滤波器或者绿色变频器的方式来降低高次谐波的干扰。
使用无源滤波器或者有源滤波器都是在改变特频率下电源的阻抗性能，其无源滤波器主要是针对稳定不改变的系统中，而有源滤波器则是应用在补偿性非线性负荷条件下。传统的方式选择的是无源滤波器作为控制高次谐波的方式，其重要原因是该技术出现的较早，且在设备结构上简单成本低，运行的可靠性高。目前无源滤波也是一直控制谐波的重要措施，如采用的LC滤波装置，其滤波结构为滤波电容、电抗器、电阻等进行适当的组合，从而达到消耗谐波能力的目的。将其与谐波源进行并联，在进行滤除谐波的同时也可实现无功补偿，不过该装置存在一定缺陷，主要是容易过载，且在过载烧毁后必须进行更换，增加了工作量。
有源滤波器的种类较多，这种滤波器对频率和幅值可以随时跟踪和补偿发生改变的谐波，且补偿的效果不会因为电网的情况而受到影响。有源滤波器在上世纪中形成，随后在材料技术的推动下，脉冲宽度调制的技术已经成熟，使得有源滤波器的技术高速发展起来，其基本的原理就是检测谐波电力。因为补偿装置会产生一个与谐波相互抵消的电流频谱，即工作时会对电路中的谐波电流进行抵消，这样就使得电流在电路中只剩下基波电流。其核心的器件就是谐波电流的发生与控制系统，即工作数字信号处理芯片与快速双极晶体管。
五、结束语
经过对问题的分析，认为在油田变频器谐波的控制中可以采用有源滤波设备进行控制，也可根据实际的能耗情况与成本支出而取消变频控制模式，而恢复工频控制。但是工频控制中必须要合理的控制电流与电压的输入，总之应根据实际的情况来选择控制高次谐波的措施，做到方便合理，易于维护。
参考文献
[1] 李忠福.电网高次谐波的危害、规律及抑制[J].电气开关.2009.（02）.
[2] 马长明.谐波对供电质量的影响及谐波消除技术探讨[J].科技创新导报.2009.（26）.
[3] 罗维平，吴雨川，薛勇.光伏并网发电系统中的谐波测量及分析[J].中国电力.2009.（12）.
[4] 杨林.高次谐波产生的主要原因、危害及其抑制措施[J].中国科技信息.2007.（17）.
[5] 戴宪滨，赵毅，李荣毅.电力系统中高次谐波的危害及其限制方法[J]. 沈阳工程学院学报（自然科学版）.2008.（04）.