◎王宏泰常识
李玖洋
工业化的生产使变频器的应用范围进一步扩大，变频器主要使用于工业领域的调速传动。它与以往的机械调速相比有着巨大的优势。但由于其逆变电路开关的特性，对自身的供电电源就形成了一个典型的非线性负荷，因为他通常不是单独使用，与其配套的设备共同使用。又因为这些设备的安装距离一般都比较近，这样就造成了互相影响。所以，以变频器为主要使用用途的电子电力设备是公用电网中谐波产生的重要来源，影响着电力系统的电能损耗。拟合直线
一、变频器结构原理和谐波产生的原因
典型变频器的原理框图尽管国内目前应用的变频器外观不同，结构各异，但基本电路结构是相似的，主要有：
l .主电路。对低压变频器来说，其主电路几乎均为电压型交一直一交电路。它由三相桥式整流器（即AC /DC 模块）、滤波电路（电容器C ）、制动电路（晶体管V 及电阻R ）、三相桥式逆变电路（IGBT 模块）等组成。电压型变频器是以电压源向交流电动机提供电功率的，优点是不受负载功率因数或换流的影响。缺点是负载出现短路或波动时，容易产生过电流，烧损模块，故必须在极短时间内采取保护措施，且只适用单方向传送，不易实现能量回馈。 2.驱动板。由IGBT 的驱动电路、保护电路、开关电源等组成
3.主控板。由CPU 故障信号检、I/O 光偶合电路、A/D 和D/A 转换、EPROM、16MHz 晶振、通信电路等组成，多数采用贴片元件（SMT ）波峰焊接技术。
4.操作盘及显示。输入I/O 操作信号，用LED （或LCD ）来显示各种状态。
5.电流传感器。用以得到电流信号。
变频器的制造原理是把频率50赫兹的直流电转化成为各种频率的交流电源，用来实现电机变速运行的设备。其中主电路的控制由控制电路完成，变频器设备装置主要控制交流异步电 机的变速运行，调速范围大、安全可靠、能源节约效果显著；其工作原理就是目前使用较为广泛的依旧是交-直-交变频器。变频器使用的主电路是交-直-交，经过三相不可控整流成为直流电压。再经过大功率的晶体开关调整成为可用交流信号。
现在工业生产中大量使用电力电子装置，这种装置就成为了谐波的主要来源了。
变频器谐波产生的原理：对于变频器来说，只要是其开关端有整流回路，都会产生非线性的的谐波，这是不可避免的。比如，现在工业多用三相桥整流电路，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与奇次性，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l00Hz，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±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波而对供电电网造成影响的就是中高频次谐波。
变频器输出端的谐波是在逆变相输出的回路中，电压和电流的输出都是有谐波的。变频器是通过中央处理器长生6组脉宽可以调频的SPWM 波控制6组功率元件开关，这样就形成了电压、频率都可以重新
调节的三相输出电压了。SPWM 波和三角波得交点就产生了输出的电压和电流。工业设备的使用常常会有设备突然失灵，仪器的信号失真，这些都是高频次的谐波造成的。高次谐波的成分可以使用傅氏级数分析得来。
从上述可知，谐波产生的根本原因：是由于非线性负载（含整流设备的负载）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。
二、谐波的危害
变频器对电容量大的电网和大型的电力系统所造成的影响几乎没有，对于那些容量小的电力系统，变频器谐波产生的危害是巨大的，谐波电压和电流对于公共电网的干扰是明显的，使用电设备的环境改变，给他周围的通信系统和其他设备都能带来一定的危害。谐波的危害主要体现在对以下几类元器件的影响：
1.变压器。
带触摸板的键盘电流谐波将增加铜损，电压谐波将增加铁损，综合结果是使变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减少。
机器人定位技术2.电动机。
引起电动机附加发热，导致电动机的额外温升，电动机往往要降额使用，由于输出波形失真，增加电动机的峰值电压，影响电动机的绝缘，谐波还会引起电动机转矩脉动，以及噪声增加。
3.电力电容器组。
一般电容器的标准规范规定其电流只允许35%的超载，
但
运输皮带清扫器
实际运转时，由于谐波的影响，以致常发生严重过载。由于电容器之阻抗，伴随频率的增加而减少，故当谐波产生时，电容器即成为一陷流点，流入大量的电流，因而导致过热、增加介电质的应力，甚至损坏电力电容器。单相轴流风机
4.开关设备。
由于谐波电流的存在，开关设备在启动瞬间产生很高的电流变化率di/dt，致使增加暂态电压的峰值，破坏绝缘。所以当谐波过大时，常会引起一些无熔丝开关跳脱、产生误动作，也很容易使一些开关里的电力熔丝熔断。
5.保护电器。
电流中含有谐波，必然会产生额外的转矩，改变电器的动作特性，以致引起误动作。
6.计量仪表。
电能表等计量仪表，因谐波而会造成感应转盘产生额外的电磁转矩，引起误差，降低精确度。
7.电力电子设备。在许多场合，电子设备是产生谐波的电流源，且很容易感受谐波失真而误动作。
8.通信设备。输电线中，若含有谐波，则将产生磁场及电场，以致干扰通信线路。
三、谐波危害的解决措施
在电子设备及电子产品中，电磁干扰（Electromagnetic In-terfere-nce ）能量通过传导性耦合和辐射性耦合来进行传输。为满足电磁兼容性要求，对以上两种干扰采用如下对策：
传导性耦合（1）在变频器输入端加装滤波器以防止对共电源的其它电子设备引起干扰，在输出端后加装滤波器使送出的电源波形为正弦波。
滤波器的分类：按用途可分为电源EMI 滤波器和信号EMI 滤波器；按滤波频谱特性可分为高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器；按电磁模量特征可分为差模滤波器和共模滤波器。
（2）改善pwm 调制方法，降低谐波含量。（3）用闭环控制的方法，如adsm 及dsmc，来改善一般传统pwm 控制方法所产生的谐波现象。
（4）电压变极谐波消除法，此法是将输出电压的极性在半周期内切换次数以造成谐波频谱的改变，以期消除对系统造成危害的低次谐波。
（5）减少pwm 控制谐波的低频部分，在采用igbt 的pwm 变频器中，载频中考虑了开关损耗死区时间引起的电流波形畸变以及输出电压线性等，一般设在10～15khz；为此，如果减少载频附近的谐波分量，就可使谐波的主要分量移至音频以外，从而大幅度地减少电磁噪音。
（6）采用空间电压矢量改善pwm 控制的输出波形，采用空间矢量表示法把三相量作为一个整体来处理，与基准矢量幅值、方向相同的两个空间调节矢量，可得到合成输出及低的输出波畸变。
2.辐射性耦合。采用屏蔽技术，屏蔽是通过由金属制成的壳、盒、板等屏蔽体，将电磁波局限于某一
区域内的一种方法。由于辐射源分为近区的电场源、磁场源和远区的平面波，因此屏蔽体的屏蔽性能依
据辐射源的不同，在材料选择、结构形状和对孔缝泄漏控制等方
面都有所不同。在设计中要达到所需的屏蔽性能，则需首先确定辐射源，明确频率范围，再根据各个频段的典型泄漏结构，确定控制要素，进而选择恰当的屏蔽材料，设计屏蔽壳体。
目前谐波的治理可采用以下方法：（1）变频器的隔离、屏蔽、接地：变频器系统的供电电源与其它设备的供电电源相互独立。或在变频器和其它用电设备的输入侧安装隔离变压器。或者将变频器放入铁箱内，铁箱外壳接地。同时变频器输出电源应尽量远离控制电缆敷设（不小于50mm 间距），必须靠近敷设时尽量以正交角度跨越，必须平行敷设时尽量缩短平行段长度（不超过lmm ），输出电缆应穿钢管并将钢管作电气连通并可靠接地。
（2）加装交流电抗器和直流电抗器：当变频器使用在配电变压器容量大于500KVA，且变压器容量大于变频器容量的10倍以上，则在变频器输入侧加装交流电抗器。而当配电变压器输出电压三相不平衡，且不平衡率大于3％时，变频器输入电流峰值很大，会造成导线过热，则此时需加装交流电抗器。严重时则需加装直流电抗器。
（3）加装无源滤波器：将无源滤波器安装在变频器的交流侧，无源滤波器由L、C、R 元件构成谐波共振回路，当LC 回路的谐波频率和某一次高次谐波电流频率相同时，即可阻止高次谐波流入电网。无源滤波器特点是投资少、频率高、结构简单、运行可靠及．维护方便。无源滤波器缺点是滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波有放大的可能、耗费多、体积大。
（4）加装有源滤波器：早在70年代初，日本学者就提出有源滤波器的概念，有源滤波器通过对电流中高次。谐波进行检测，根据检测结果输入与高次谐波成分具有相反相位电流，达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比具有高度可控性和快速响应性，有一机多能特点。且可消除与系统阻抗发生谐振危险。也可自动跟踪补偿变化的谐波。但存在容量大，价格高等特点。
（5）加装无功功率静止型无功补偿装置：对于大型冲击性负荷，可装设无功功率的静止型无功补偿装置，以或得补偿负荷快速变动的无功需求，改善功率因数，滤除系统谐波，减少向系统注入谐波电流，稳定母线电压，降低三相电压不平衡度，提高供电系统承受谐波能力。而其中以自饱和电抗型（SR 型）的效果最好，其电子元件少，可靠性高，反应速度快，维护方便经济，且我国一般变压器厂均能制造。
（6）线路分开：因电源系统内有阻抗，所以谐波负荷电流将造成电压波形的谐波电压畸形。把产生谐波的负荷的供电线路和对谐波敏感的负荷供电线路分开，线性负荷和非线性负荷从同一电源接口点PCC 开始由不同的电路馈电，使非线性负荷产生的畸变电压不会传导到线性负荷上去。
（7）电路的多重化、多元化：逆变单元的并联多元化是采用2个或多个逆变单元并联，通过波形移位叠加，抵消谐波分量；整流电路的多重化是采用12脉波、18脉波、24脉波整流，可降低谐波成分；功率单元的串联多重化是采用多脉波（如30脉波的串联），功率单元多重化线路也可降低谐波成分。此外还有新的变频调制方法，如电压矢量的变形调制。
（8）变频器的控制方式的完善：随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术发展，变频器控制方式有了以下发
（下转第105页）
（上接第95页）展：数字控制变频器，变频器数字化采用单片机
MCS5l 或80C196MC 等，辅助以SLE4520或EPLD 液晶显示器等来实现更加完善的控制性能；多种控制方式结合，单一的控制方式有着各自的缺点，如果将这些单一控制方式结合起来，可以取长补短，从而达到降低谐波提高效率的功效。
（9）使用理想化的无谐波污染的绿变频器：绿变频器的品质标准是：输入和输出电流都是正弦波，输入功率因数可控，带任何负载使都能使功率因数为l，可获得工频上下任意可控的输出功率。
综上所述，随着电力电子技术以及微电子技术等技术的飞速发展，在治理谐波问题上将会迈上一个新的台阶，将变频器产生的谐波控制在最小范围之内以达到抑制电网污染，提高电能质量。
四、实际应用
铁法能源公司使用了多台变频器来控制胶带输送机，取代了以往的可控硅控制开关，变频器的效果明显优于可控硅控制启动的效果。尤其是在有坡度的上山场所，更能明显地体现出变频器的调速效果。无论是在机械维护方面，还是电气维护等方面都节省了很多的人力、财力和物力，同时也给输送机操作人员带来了极大的方便。变频器的好处很多，也不用太多说，毕竟是现代工业，电子元件发展的趋势。但是它带来的负面影响也是很大的，上面已对此问题进行了详细的描述。下面是我单位的实际应用验证。我矿工作面安装了变频器，我队负责安装使用和维护工作，使用之后就出现了影响附近监测通讯系统，造成误动作停电，不能正常工作。这种现象在以往没有出现是因为，以往安装
的地方没有这些电力电子元器件比较精密的设备，它们主要安
装在采取配电室。现在由于地质环境构造等外界因素，只能在附近安装。出现了问题，就要解决。首
先得从变频器本身查看，咨询厂家的变频器在制造上是否有漏洞和欠缺的地方，结果是都符合要求，滤波系统及其功能都齐全并可靠。接下来就得寻外界原因，是否哪里有做的不到位的地方。经查资料发现变频器的谐波的辐射性危害的方面时，发现我们没有进行有效控制。就这问题，经过队里的领导及电气方面的技术人员共同探讨研究，并提出了解决的方案，在变频器的电源和负荷侧的电缆外层上又包上一层屏蔽层，虽然使用的电缆已经是屏蔽电缆。措施施行后就立竿见影地解决了问题。这一经验给以后变频器的应用带来了很大帮助，一是丰富了变频器这方面的知识，理论和实际应用的结合。二是对于长期在输送机旁作业的人员也减少了辐射的危害，对人身健康的保障更是百利而无一害的。
五、结论
事物总有其矛盾的两面性，变频器的使用使交流传动有了里程碑的意义，但其谐波干扰的严重性也给设备的使用寿命和稳定运行带来了安全隐患，如何在使用的同时，大大的减少或最大限度的降低变频器使用所产生的谐波危害是每个电气工作者面临的严峻课题。本文从谐波的产生到如何抑制做了简略的分析，只用将变频器产生的谐波控制在最小范围内，才能提高电能的质量。
作者简介：王宏泰（1979.3），男，工程师。2013年毕业于辽宁工程技术大学机械工程及自动化专业。现任大平矿技术员。
（作者单位：1.辽宁铁法能源有限责任公司大平矿；2.辽宁通用重型机械股份有限公司；3.辽宁铁法能源有限责任公司晓南矿）
断器的额定电流大小，同时需要通过自动断路器瞬时动作，对整定电流值来进行测定，同时还需要对总电源回路内部熔断器的额定电流大小，以及自动断路瞬时动作电流大小之间进行有效对比，二者之间的数值需要保持相同。在释压保护检测工作中，通常采用的是通电试验检测法，在检测工作开展时需要打开紧急事故开关，此时在整个系统内部的防护装置和连锁接触点位置需要处于闭合状态，将地面上的总电源开关关闭，同时将起重机主隔离开关进行闭合，此时起重机的总电源接触器无法保持正常工作。在自动断路器的操纵手柄发生动作时，总电源的接触器断路器也会相继产生动作，同时总电源需要保持接通状态。在空载运行工作状态下，拉下地面总电源开关或者主隔离开关，总电源接触器和断路器之间会同步产生动作，同时总电源回路会断开，如图3所示。在实验检测工作中需要准确记录各起重机零部件的额定电流大小，同时根据起重机设计规范工作的要求，有效计算尖峰电流大小，需要对整个控制系统电源回路当中的额定电流，以及断路器所产生的瞬时整定电流进行计算，有效保证电气保护系统的
正常稳定工作和运行。
图3总电源短路保护系统
3.电动机过载保护和超速保护检验技术。在起重机的正常运行过程中，如果电动机负载出现突然上涨，则证明系统内部的运行电流出现了瞬时增加现象，等到瞬时电流瞬时增加到一定程度，则会造成线圈的进一步损毁，通过过载保护可以在电流超过额定数值之后自动切断电路，有效保证线圈的工作安全性。超速保护作为一种限制开关，可以通过分析电流特性中得
到转速和磁场之间呈反比关系，如果磁场
明显低于设定的数值，则电机的实际转速大小会超过允许值大小。通常情况下，超
速开关都直接安装在直流电动机的轴头
位置，超速开关的运行主要基于内部的离心轴，通过多点来实现多种动作。
电动机过载保护工作方式相对比较复杂，通常情况下采用的是电流继电器或者带热脱扣器断路器。绕线电动机在检测工作中，通过使用电流继电器保护过载电流而鼠笼型电动机过载保护装置，通常使用的是带热脱扣电路器。对于起升系统结构和非平衡变幅结构等负载工作部位，则需要安装对应的超速保护装置，通常情况下超速保护装置的整定值下降最大幅度，需要控制在标准数值的1.25～1.5倍之间，继电器设备设定的动作电流值需要达到额定电流的2.5倍。
三、结语综上所述，在日常工作过程中必须要充分做好起重机电气保护系统的相关检验和维护工作，
有效防止电气保护系统产生各种安全故障问题，提高起重机设备的运行稳定性，保证工业生产工作的整体质量和效果。
作者简介：熊玉军(1968.10-)，男，汉，湖南郴州，
本科，主要从事电梯起重机检验。（作者单位：湖南省特种设备检验检测研究院郴州分院自制纳米胶带教程
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