变频器谐波的抑制

一、 引言

近年来，随着电力电子技术的发展以及电气系统调速和节能的需要，变频调速以及直流调速技术在石油钻机领域不断推广，应用日益广泛；另一方面，变频器及直流调速装置带来的干扰问题受到越来越多的关注。由于钻机系统多采用自备柴油发电机系统供电，容量相对来说比较小，且用电设备中70%以上是变频器或直流调速装置，所以钻机电气系统如何减小谐波的危害显得更为重要。 二、 石油钻机系统电气容量计算

现在以ZJ70DB石油钻机电控系统为例，介绍钻机各组成部分电气容量，文中所提供数据仅供参考，实际计算中应以钻机系统铭牌数据为准。

1. 钻机供电系统

ZJ70DB钻机供电系统一般由4台2100kVA发电机和1台500kVA辅助发电机（400V）组成，辅助发电机用于在紧急情况时，给辅助设备及照明供电。

主发电机基本参数（表一）：

项 目 额定功率 (KW) 额定电压 (V) 额定电流 (A) 功率因数 （滞后） 额定频率 (HZ) 额定转速 （1/min） 基本参数和配置 1200（主用功率） 600 2021 0.64 50 1500 2. 钻机驱动系统电气参数（表二）：

驱动系统 绞车 （2台电机驱动） 泥浆泵 （3台泵组成） 转盘 顶驱 单台电机额定功率 单台电机额定电压 单台电机额定电流

(KW) 800 1200 600 300 (V) 600 600 600 575 (A) 897.55 1347.73 693.47 445 （2台电机驱动） 辅助系统 ZJ70DB辅助设备及照明回路满载总功率大概为800kW。 三、 变频器结构及其谐波的产生

变频器一般采用交-直-交结构，利用电机的转速和频率成线性关系的原理，把工频（50/60HZ）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行，用于交流异步电动机的调速，调速范围广、节能显著、稳定可靠。

（图一）一般通用变频器为交－直－交结构

变频器基本原理：冲量相等而形状不同窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积；此结论是PWM控制的重要理论基础。

（图二） 变频器PWM基本原理示意图

变频器输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路，这些都是由非线性原件组成的，在开关过程中，其输入端和输出端都会产生高次谐波。

输入侧产生谐波机理：不限于变频器，晶闸管供电的直流电动机、无换向器电动机等只要是电源侧有整流回路的，都将产生因其非线性引起的谐波。在三相桥式整流回路中，输入电流的波形为矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，通常含有6n±1（n＝l，2，3….）次谐波。其中的高次谐波将干扰输入供电系统。通常将各奇次的谐波统称为奇次谐波，偶次的谐波称为偶次谐波。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更大。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。

（图三） 基波与高次谐波 畸波

（图四） 钻井现场实测波形

变频器输出侧产生谐波机理：由于变频器是通过CPU产生6组脉宽可调的SPWM波控制三相的6组功率元件导通/关断，从而形成电压、频率可调的三相输出电压。其输出电压和输出电流是由SPWM波和三角载波的交点产生的，不是标准的正弦波，如电压型变频器，其输出电压波形为方形波，用傅氏级数分解电压方波和电流正弦锯齿波可分析出包含较强的高次谐波成分。

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。

世界许多国家都对谐波问题发布了限制电网谐波的国家标准，世界各国所制定的谐波标准大都比较接近。我国国家技术监督局于1993年发布了中华人民共和国国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》，该标准自1994年3月1日起开始实施。

国标电网谐波电压限值（表三）：

国标电网谐波电流限值（表四）：

四、 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，它使用电设备所处的环境恶化，给周围的通信系统和其他的设备带来危害。

另一方面，电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源干扰变频器。电网中存在大量谐波源（如各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备、非线性负载及照明设备等），这些负荷都使电网中的电压、电流产生波形畸变，从而对电网中其他设备产生干扰。变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后，若不加处理，电网噪声会通过电网电源电路干扰变频器。供电电源对变频器的干扰主要有过压、欠压、瞬时掉电，浪涌、跌落、尖峰电压脉冲，射频干扰。其次，共模干扰通过变频器的控制信号线也会干扰变频器的正常工作。

（图五） 钻井现场电网谐波

（图六） 钻井现场电网畸变

（图七） 钻井现场电压尖峰与跌落

变频器产生的高次谐波对石油钻机电网产生的危害也日益严重。其中包括：

1. 供电线路：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，当大量的三次谐波电流流过中性线时，会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短、损坏甚至发生火灾。

2. 变压器：电流谐波将增加铜损、铁损，使变压器温度上升，影响其绝缘

能力，并造成容量裕度减小。谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振，及引起铁心磁通饱和或歪斜，而产生噪声。

3. 电动机：输出谐波对电动机的影响主要有，引起电动机发热，导致电动

机的额外升温，电动机往往要降额使用，由于输出波形失真，增加电动机的重复峰值电压，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。

4. 断路器：由于谐波电流的存在，当电流波形过零点时，由于谐波的存在

可能造成高的di／dt，这将使开断困难，并且延长故障电流的切除时间。 5. 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。

6. 谐波会对现场总线通信产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者

导致通讯中断，造成设备错误停机，给正常的钻井工作造成不可估量的损失；

7. 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准

确。

五、 电磁干扰的途径

变频器谐波干扰途径分传导和辐射，在传导的过程中，与变频器输出线平行敷设的导线又会产生电磁耦合形成感应干扰；

变频器能产生功率较大的谐波，对系统其他设备干扰性较强。其干扰途径与一般电磁千扰途径是一致的，主要分空间辐射干扰（即电磁辐射干扰）、耦合干扰、电源干扰。具体为电气设备、电子设备的高密度使用，使空间电磁波污染越来越严重。这些干扰源产生的辐射波频率范围广且无规律。空间辐射干扰以电磁感应的方式通过检测系统的壳体、导线等形成接收电路，造成对系统的干扰。静电耦合干扰是指电路之间的寄生电容使系统内某一电路信号的变化影响其他电路，形成静电耦合干扰，只要电路中有尖峰信号和脉冲信号等频率高的信号存在，就有静电耦合干扰存在。传导耦合干扰即系统的信号在传输过程中容易出现延时、变形并接收干扰信号，形成传导耦合干扰，对周围的电子、电气设备产生电磁辐射；对直接驱动的电动机产生电磁噪声，使得电动机铁耗和铜耗增加，并传导干扰到电源，通过配电网络传导给系统其他设备；变频器对相邻的其他线路产

生感应耦合，感应出干扰电压或电流。同样，系统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。石油钻机中的某些大设备的起动、停机等，可能引起电源过压、欠压、浪涌、下陷及产生尖峰干扰。这些电压噪声均会通过电源内阻耦合到变频系统的电路，给系统造成极大的危害。 六、 谐波的抑制

抑制谐波的总体思路有三个：其一是增加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. 使用隔离变压器

当电源系统投入其它设备（如电容器）或由于其它设备的运行（如晶闸管等换相设备）时，容易造成电源的畸变，而损坏变频器的开关管。使用具有隔离层的隔离变压器，将变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立，或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器，切断谐波电流，可以将绝大部分的传导干扰隔离在隔离变压器之前。

2. 选用适当的电抗器

（1）进线电抗器用来限制电网电压突变和操作过电压引起的电流冲击，平滑电源电压中包含的尖峰脉冲，或平滑桥式整流电路换相时产生的电压缺陷,它既能阻止来自电网的干扰，又能减少整流单元产生的谐波电流对电网的污染。在电源与变频器输入侧之间串联交流电抗器，进线电流的波形畸变大约降低30%~50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。

（图八） 串联交流电抗器

（2） 输出电抗器：由于电机与变频器之间的电缆存在分布电容，尤其是在电缆距离较长，且电缆较粗时，变频器经逆变输出后调制方波会在电路上产生一定的过电压，使电机无法正常工作，在变频器与电极之间串联输出电抗器可以补偿长线分布电容的影响，并能抑制输出谐波电流，提高输出高频阻抗,有效抑制dv/dt.减低高频漏电流,起到保护变频器,减小设备噪声的作用。

（图九）串联输出电抗器

3. 选用适当滤波器

在变频器输入、输出电路中，有许多高频谐波电流，滤波器用于抑制变频器产生的电磁干扰噪声的传导，也可抑制外界无线电干扰以及瞬时冲击、浪涌对变频器的干扰。根据使用位置的不同可以分为输入滤波器和输出滤波器。

4. 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相脉冲整流的畸变大约为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；

5. 信号线采用屏蔽线或双绞线

信号线采用屏蔽线或双绞线，且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离(至少20cm以上)，切断辐射干扰。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所示。

6. 合理布线，屏蔽辐射，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. 选用具有开关电源的仪表等低压设备

一般开关电源的抗电源传导干扰的能力都比较强，因为在开关电源的内部也都采用了与图5结构类似的滤波器。因此，在选用控制系统的电源设备或者选用控制用电器时，应尽量采用具有开关电源类型的。