谐波对异步电动机的影响与防护处置方法

一、谐波对异步电动机的影响

谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。

另外，电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。

二、谐波对电机的影响

1、对旋转的电动机而言，谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁芯中会产生附加损耗，导致电机的整体能量转换效率降低。

2、谐波电流能使电机的铜耗增加，所以电机在严重的谐波负载下将产生局部过热、振动和噪声增大、温升增加，导致绝缘层老化加速，降低了设备的寿命。

针对谐波，我们可以用功率分析仪或者整合功率分析仪的电机测试系统进行测量分析。

如图：

三、谐波对电动机运行影响及防护处置

我国《节约能源法》第39条规定：“将变频调速列入通用节能技术加以推广。”在工矿企业的众多电力拖动系统中，大多采用异步电动机作为拖动动力。

在电力拖动系统的调速节能改造工程中，除优化拖动系统装置的设计外，仍需运用变频调速技术进行节能改造。实现异步电动机的变频调速，这是发明异步电动机百年以来人们翘首以待的“世纪之梦”。

变频器具有高效节能、调速精度高、范围宽的特性，可实现异步电动机的软起动。同时还能有效地改善拖动设备的机械性能，这对使用面广、数量多的异步电动机，必将会取得很好经济效益。

但变频器是非线性设备，使用大功率二级管整流，大功率晶体管逆变，运行中必将会引起正弦波的畸变而产生高次谐波。

当变频器向电动机输入频率可变的电流时，必然会将含有颇丰的高次谐波电流输入电动机而造成不良影响。

为此，必须通过采取一系列的谐波治理措施，将谐波造成影响降到最低，使变频调速的节能技术得到推广应用，从而可取得很好的经济效益。

一、变频调速的优越性

1.变频调速特性好

实现异步电动机的变频调速，是发明异步电动机百年以来人们翘首以待的“世纪之梦”。变频器通过不懈改进、提高和完善，其调速工作特性毫不逊色，即与直流调速系统相比较，某些性能还将超过直流调速。由于频率本身是数字量，即可实现不需外部反馈情况下而获得很硬的机械特性。同时还具有调速精度高、范围宽、起动平滑、性能稳定、维护简便等优点，并易于实现生产过程的自动控制。

2.变频调速系统故障率低

异步电动机拖动系统，可在不更换原电动机条件下，实现变频调速节能技术改造，即在电动机与电源之间接入相配套的变频器，而得到最佳调速效果。其故障低是得益于异步电动机的结构简单、性能稳定、运行可靠，而转子回路内电流不需从外部引入，故出现故障几率很低。

3.变频调速可实现软起动

异步电动机若采用全压直接起动，其起动电流是额定电流的5-7倍，这么大的起动电流将会对拖动设备或电网造成冲击。而采用变频调速起动，其起动电流一般不会超过额定电流的1.5倍，而且起动平滑稳定无冲击，实现异步电动机真正意义上软起动。

4.变频调速会延长设备使用寿命

变频调速在风机、泵类负载中使用，不仅能按负载运行功能要求实现转速条件，而且起动过程中振动和机械噪声很小。变频器用于一般机械设备的调速，在起动、停止、加速、减速等工况下，均不会产生振动和冲击，故可延长机械设备的使用寿命。

5.变频器用于输送机调速时转矩平滑

变频器用于输送机电动机的调速，在负载下加、减速时，也具有性能良好的软起动效果，并且转矩平滑。尤是在重载下起动时，可平稳地提升输出转矩，这是普通减速起动器所无法达到的效果。

二、变频器产生谐波机理

变频器是非线性设备，其主电路一般都采用交—直—交电压逆变方式，外部输入的380V50Hz工频电源，经三相桥式电路整流成直流电压，再电容滤波及大功率晶体管逆变为频率可变的交流电流输出，为需要调速的电动机提供频率可变的电源。根据电动机转速公式n=[(60f)/p](1-s)可知，将输入频率可变的电流，即可实现电动机转速的调节。

变频器的整流回路是由大功率=极管组成电路，输入电流波形为不规则的矩形波，其波形按傅立叶级数进行分解，除了得到与电源基波频率相同的分量外，还有一系列大于电源基波频率分量的高次谐波。

谐波实际上是一种干扰量，系指x一个周期电气量的非正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。每个谐波都有不同的频率、幅值与相角，高次谐波频率与基波频率的比值称为谐波次数，有偶次谐波与奇次谐波之分。一般讲奇次谐波造成危害比偶次谐波更大，在三相整流负载中出现谐波为3、5、7、11、13……次谐波。

同理，在逆变输出回路中，输出电流信号受载波信号调制而变成脉冲波形，其波形按傅立叶级数进行分解，也分得基波和各次谐波。据此，变频器运行中必然会产生高次谐波，当频率可变的并含有颇丰高次谐波交流输入配套电动机，必将对异步电动机造成不良的影响。

异步电动机具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点而得到广泛使用。对异步电动机拖动系统进行变频调速节能改造时，可不更换原电动机，而在电动机与电源之间串入相配套型号变频器，即可实现异步电动机转速的调节。但由于变频器是非线性设备，运行中必然会产生高次谐波而对电动机造成不良影响。

按常规设计的异步电动机，均设计在额定频率和额定电压下运行的，只有瞒住运行条件才能确保电动机轴上输出转矩、输出功率达到额定值。

然而，在变频调速工况下运行的电动机，其输入电流的频率是个变量，通过改变输入电流的频率即可实现异步电动机转速的调节。但由于输入电流频率的变化，故对电动机输出的轴功率会造成影响。所以对不同拖动系统电动机容量的选择上，应考虑这种影响而有一定的容量裕度。

通常使用中异步电动机，均在额定功率和允许温升条件下运行，其温升是不容易超过规定值。但在变频调速工况下运行的异步电动机，由于输入电流含有颇丰的高次谐波，因为会因谐波电流产生附加损耗。同时因谐波电流影响，而使输出轴功率有所下降，运行效率降低，温升增高等异常情况。

异步电动机运行中，若发生温升增高必将导致线圈绝缘的挥发和降解加速，介电强度和体积电阻率下降，还会造成绝缘的炭化而丧失绝缘功能。另外，谐波电流产生的附加磁场，相对于转轴是高速度旋转的，它产生的轴电势较高，会击穿轴承的油膜，使轴电流流过轴承而造成损害。

异步电动机的线圈间存在着分布电容，高次谐波电压输入时，使各线圈之间的电压分担不均匀，导致承担高电压线圈绝缘老化加速，从而使首匝线圈绝缘损伤。

在变频调速拖动系统中，变频器输出电压的幅值是额定电压的3倍，再加上变频器电压变化率(du/dt)很高，它所引起的振荡使电动机线圈收到应力变得更大，导致线圈绝缘老化。

在开关频率很高工况下，变频器和电动机之间连接电缆，若是长度过长时会产生驻波，将导致电动机端电压的升高，这种高电压也会加速线圈绝缘的老化，而影响电动机的使用寿命。

三、变频器产生谐波的治理措施

1.隔离措施

隔离是电磁兼容的重要技术措施之一，系指从电路上把干扰源和易受干扰元件隔开，使它们不发生电的联系。在变频调速系统中，通常在电源与放大电路之间使用隔离变压器以消除传导干扰，其次，将不同信号线隔开铺设，或采用屏蔽双绞线，或各自单独走线，使信号线不与电力线平行走线。

2.屏蔽措施

屏蔽是电子设备电磁兼容的重要措施，它能有效地抑制通过空间传播的各种干扰源，既可阻止或减少电子设备内的辐射电磁能量对外传播，又可阻止或减少外部辐射对电子设备的影响。根据屏蔽机理，变频器常用的是电场平布，即是采用金属导体的外壳将变频器屏蔽，不让其干扰源泄漏。同时变频器的控制线也要屏蔽，并做好屏蔽层的良好可靠接地。

3.滤波措施

滤波既可抑制从电子设备输出的干扰源，又能抑制从电源引入的干扰源。为减少电磁噪声，可在变频器输出侧设置输出滤波器;为减少电源的干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器，同时滤波器外壳应和变频器外壳牢固连在一起并可靠接地，其目的是建设接触电阻，提高滤波效果。

另外，为抑制变频器输入侧谐波电流，改善功率因数，可在输入端串联交流电抗器;为改善变频器输出电流质量，可在输出侧串联交流电抗器。

4.接地措施

接地分为保护接地和工作接地，其作用均为抑制干扰源，提高电子设备抗电磁干扰的能力。变频器的正确可靠接地是抑制噪声和减少干扰主要措施，如将变频器与电源分开接地，其抑制干扰效果更好。

变频器的接地，先在机柜内将各种接地线汇于柜内的汇流排，然后用粗铜线接到公共接地体上。但应禁止与电源、避雷器的接地线连在一起，接地线之间的绝缘应良好可避免接地干扰。

5.其他措施

为避免长电缆产生驻波，变频器与电动机之间连接电缆长度应尽量短，更不能将过长的电缆盘成圈状放在机柜内。变频器进线电缆应套上长约1.5~2米的金属蛇皮管，蛇皮管外壳要可靠接地。

另外，对变频调速系统，应选用不易输出高反射电压的变频器，以提高运行效率。若有更换拖动系统的原电动机时，最好选用专用的变频器驱动电动机。

五、结束语

《节约能源法》已将变频调速列入通用节能技术加以推广。但变频器是非线性设备，运行中必将会引起正弦波形畸变而产生高次谐波，这不仅是电网“公害”，而且还将对电气设备造成危害并增加损耗。只有采取一系列的谐波治理措施，变频调速的优越性必将得到更好发挥，为变频调速技术的推广应用节能降耗开辟新境界。