【摘要】由变频器驱动的电动机系统因其具有调速范围宽、启动平稳、运行功率因素高、节能效果明显的优点，而得到广泛应用。在实际工作中，经常遇到变频器谐波干扰或载波频率不合适而造成电机振动风机噪声大，电机温升高。文章分析了此类问题产生的原因，提出一些抑制干扰的措施。
【关键词】载波频率；谐波干扰；噪声；振动；抑制
在工业厂房中央空调器中，大量使用变频器控制，由于变频器内有很多晶闸管，整流二级管，滤波电容等非线性元件。实际运行中出现电机噪声大，温升高，有些电机甚至发生振动，并影响周围仪器设备的正常工作。本文对此原因进行了分析并提出解决的方案。
1.变频器输出载波频率及其影响
1.1 载波频率
变频器的信号调制是脉冲宽度调制（Pulse Width Modlation，简称PWM），这种控制方式以较高频率的脉冲信号，对变频器内逆变电路部分的晶闸管开闭进行控制。通过改变脉冲的宽度来达到控制输出电压（电流）的目的；载波频率的高低决定了变频器输出电压（电流）PWM脉冲的数量，直接影响输出波形的质量，载波频率越高，变频器输出电压的波形就越好。
1.2 载波频率对电机及电路的影响
为了使电动机调速运行能够更加平稳，现在的变频器大多采用正弦波PWM控制方式。正弦波PWM控制方式就是通过改变PWM的输出脉冲宽度，使变频器输出电压尽可能接近正弦波。这种控制方式虽然简单，但当载波频率不恰当时会产生许多负面影响。
在PWM电压脉冲序的作用下，电流波形是脉动的，含有大量的谐波；当脉动频率与载波频率接近或相等时，脉动电流将使电动机铁心的硅钢片之间产生电磁力并引起振动，产生电磁噪声，电动机的温度升高。
载波频率越高，线路之间，线路与地之间的分布电容的容抗越小，高频脉冲电压引起的漏电流越大。
载波对其它设备的干扰主要是由于高频电压高频电流引起的，载波频率越高，高频电压通过静电感应对其它设备的干扰就越严重；高频电流产生的高频磁场通过电磁感应对其它线路的干扰越严重。
高频电磁场有非常强大的辐射能量，它所产生的干扰信号，严重危害负载及其它设备的正常运行。
变频器载波频率特性见表1。
1.3 消除载波频率干扰的措施
在实际工作中，电动机噪声大，温升高是最直接，也是最常见的问题。解决的办法是，首先适当提高变频器的载波频率，以改善变频器输出电压的波形。
如果因载波频率提高而产生电磁干扰信号，影响到变频器周围设备（特别是电子类仪表）的正常工作，一般可以采用以下来解决干扰问题：
（1）变频器的电源进线、接地线与仪器仪表的工作电源线、接地线分开敷设，并分别用金属套管。
（2）仪表的输入信号线尽可能远离变频器敷设，并选用屏蔽线做信号线。
（3）选用带载波频率自动调节功能的变频器，让变频器根据机内的温度等，自动调整载波频率。
2.变频器产生谐波干扰及其危害
2.1 谐波的产生
在负载为纯电阻的理想电力系统中，流过负载的电流与电压成正比的线性关系，电压是正弦波，电流也是正弦波。
线性负荷下电压波形与电流波形如图1。
当负载中含有电容、电感、半导体元件等，流过负载的电流与所加的电压不是线性关系，电压是正弦波，电流就不是纯粹的正弦波，而是含有谐波的非正弦电流。非线性负载是谐波产生的根本原因。
桥式整流器输入电压与电流的波形如图2。
在变频器输入侧，整流回路中使用大量晶闸管等非线性半导体元件，无论用哪一种整流方式，因为晶闸管采用移相控制，从电网获取的电压和电流不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式获取电流，这种脉动电流会反馈到电网，与系统内的主抗形成脉动电压，并与电网本身的电压叠加，导致输入电压波形畸变，根据傅立叶（M.Fourier）分析原理可知，这是一种非周期性正弦波是由频率和电网相同的基波与频率高于基波的谐波共同组成。
在变频器的输出端，逆变电路是由脉冲宽度调制（PWM）进行控制的，输出电压和电流的波形是受PWM控制信号调制的。因此，输出回路电流可分解为只含正弦波的基波和其它各次谐波。
含三次和五次谐波的电流波形分解图见图3。
谐波是正弦波，每一个谐波都有不同的频率、相角和幅度。谐波可分为奇次谐波和偶次谐波，在三相平衡的系统中，由于对称关系，偶此谐波已经抵消，只有奇次谐波存在。
2.2 谐波造成的危害
变频器产生的谐波，通过传导、电磁辐射、感应耦合三种方式进行传播，危害电网、电动机、及其它设备。
（1）谐波对电网的危害
谐波使电网电压发生畸变，电压质量下降，加大线路损耗；谐波传导给变压器，增加变压器鉄耗和铜耗，变压器的温度升高；影响变压器绝缘；产生噪音，使变压器的实际使用容量减少；同时也干扰了与变频器并联使用的其它设备。
（2）谐波对电动机的危害
一般有工频供电的电动机，定子电压是标准的正弦波，不含其它成分谐波，所以电机运行平稳。而由变频器驱动的电动机，变频器输出电流含谐波。以六相电流型变频器为例，输出电流就含（6K+1）次的高次谐波，K=1，2…
每个谐波分量都有自身的相序（正序，零序，逆序），它们表示在电动机中相对基波磁场正旋转方向，零序谐波产生不动的磁场，加大了磁滞损耗，使电机温度升高；逆序谐波产生反向旋转磁场，使电动机的转矩下降；正序谐波产生正向旋转磁场加大转矩。因此，正序谐波和逆序谐波相互作用，使电动机发生周期性的转速变动，引发机械振动和噪音。
如果要求电动机在低速运行，当频率低到一定程度时，电动机所具有的负阻尼，使系统不能稳定，受变频器影响，加大了谐波的波坏作用。
（3）谐波对周围设备的干扰
高次谐波通过电磁辐射，向空中扩散，严重干扰周围设备的正常工作，尤其是计算机、仪器仪表等电子设备，使数据信息不稳定、失误，甚至丢失。
3.抑制谐波干扰的措施
（1）抑制谐波电流的产生和注入
让变频器的供电电源与其它设备的供电电源相互独立，或者变频器和其它用电设备的输入侧安装隔离变压器。阻断谐波电流。
（2）消减谐波干扰的辐射与传递
变频器输入侧和输出的电缆线，穿钢管敷设且钢管接地，形成屏蔽层；并与其它弱电信号线分开敷设；变频器的接地端与大地连接良好，其它变频器及用电设备的的接地线应单独连接。
（3）在变频器的输入和输出侧安装电抗器，或LC型谐波滤波器，吸收谐波和增大电源或负载的阻抗，达到抑制谐波的目的
输入侧的电抗器主要作用是改善功率因数实现驱动系统与电源间的匹配；输出侧的电抗器主要作用是降低电动机的运行噪音。电抗器的电感容量一般可按以下公式计算：
式中：L是电感量，（H）
k是系数，可取0.02-0.05，
U是额定电压（V）
f是最大频率（Hz）
I是额定电流（A）
4.结束语
在使用变频器过程中，为了防止高次谐波对电动机、电网、及周围用电设备的干扰，首先要弄清楚产生干扰的源头，采取相对应的措施以消除谐波干扰。同时，在设计及施工阶段就必须加以重视，如：设备的排列布置，应把变频器单独安装。线路敷设应把强，弱电分开布线，并用金属管敷设等等，尽量减少电磁波的辐射干扰。
谐波干扰是一个常见的问题，彻底解决谐波干扰是非常困难的，有待于技术的进一步提高。
参考文献
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[2]王兆安，杨君.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1999.
[3]石伟.风机噪声的理论分析与解决方案[J].煤气与热力，2005（4）.
作者简介：陈国华（1959—），男，福建厦门人，厦门宏发电声股份有限公司工程师，从事电气、电力方面工作。