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摘  要：以变频器及其产生的谐波为对象，全面介绍了谐波发射水平、发射限值、抗扰水平、抗扰度限值。兼容水平及其互相之间的关系，着重说明了通用变频器产生的谐波大小的推算方法，在对付谐波时，供货方、用户和工程设计者各承担什么责任，上述内容，均以国家标准、IEC标准作基础。
    关键词：发射水平发射限值抗扰水平抗扰限值兼容水平1 引言
    变频器(交流调速驱动)由于优异的调速性能和可以接受的产品价格，使它获得了愈来愈广泛的应用，但同时，它也带来了不可忽视的不良后果，在交流输入侧，它将产生的谐波输送到电网中去，严重时将引起电力公害而不得不采取谐波抑制措施包括装设滤波器，在输出侧，它输出的电压波形中包含有电压尖刺，电压梯度很大，给电动机带来了问题。上述有关变频器所带来的问题，应该由哪方来负责解决呢?单独由变频器制造厂家负责?还是电力网的业主、变频器厂家和电动机厂家各分担一份责任呢?如果是这样，各方各承担什么责任呢?为了降低成本，各方都想减轻责任。为了协调，IEC(国际电工委员会)有一个TC77电磁兼容技术委员会，发布了一系列的电磁兼容(以下简称EMC)标准来规范各方的责任，并尽量提出明确的技术指标。TC77现已发布了80多项标准，几乎涉及了所有的电气产品和系统，变频器只是其中一项。由于EMC标准能协调整个电气、电子系统与全部设备的正常工作与和平共处， 消除了彼此间的互相损伤和骚扰而能够电磁兼容， 因此我国将大部分IEC有关EMC标准等同采用为国家标准GB，并将其中一部分列入强制性GB。不可忽视的客观现实是某些产品如果不执行IEC有关EMC标准的规定，外国可以拒绝我国的产品，同理我国可以拒绝外国的产品。在国内，如不执行GB，则不准产品出厂和上市销售，因产品没有获得3C认证，整体趋势是全世界对产品的EMC性能和标准愈来愈重视。
2 电磁兼容是怎样兼容的
    在一个电气系统内，各种电气设备都完成一定的任务，但其中一些设备还附带地发射一些骚扰量去骚扰其它设备。设备为了在有骚扰量的电气环境中能够正常工作，它就必须具备足够高的抗扰度水平。这样每台设备本身都有两个很具体的量值即骚扰量(例如谐波)发射水平和抗扰水平，但是各厂家的产品由于设计不同，即使是同类型的产品这两个量也不会相同，所以标准又分别为他们规定了骚扰量发射限值和抗扰度限值。各类设备为了在一个共同的电磁环境内(对谐波而言，共同的电磁环境之一就是电力系统)都能正常工作，就必须为电力系统规定一个骚扰量(谐波)的兼容水平(例如电能质量公用电网谐波GB／T14549—93)。上述5个量之间的关系可以用附图表示，欲知详细内容请见文献[1]。
   
3 标准允许变频器的骚扰量发射限值
    在这里，首先讨论低频传导骚扰， 即频率在9kH，以下的骚扰。
    (1)对电网发射的谐波(<2kH，)在公用电网中的变频器变频器的标准[2]明确规定了接在公用电网中的变频器的谐波电流发射限值和要求， 即变频器每相输入电流≤16A，适用标准[3]，变频器额定电流>16A的适用标准[4]，但是对于输入电流>16A和≤75A的设备，IEC有了新的标准[5]。我国暂时尚未跟进，预计不久将来也会有相应的GB出现。IEC在公布标准[5]的同时，说明了对>75A的设备，仍适用标准[4]。
    对于上述问题，可以参看文献[6]。
    在工业(产业)电网中的变频器工业(产业)电网实际上是业主私用电网，它关心的是全部谐波电流合成后对电网形成的谐波电压水平，通常对单台或多台变频器发射的谐波电流并不必严格限制，但也要考虑单台谐波电流过大时对变频器自身的发热问题。在特定条件下，如果变频器邻近处有敏感的电子设备，则要小心处理。
    (2)对电网发射的频率2kH，～9kH，这类骚扰例如当变频器采用有源前端时所产生的，所谓有源前端是采用PWM技术在前端进行整流和逆变，由于斩波产生电压尖刺送往电网，这种谐波容易伤害其它电子装置，对它的限制，标准[2]正在考虑中，尚无规定，但厂家和用户应加以注意。据悉，上海地区使用这样的高压变频器，确已伤及其它电子装置。低压变频器如果采用有源前端，也会有类似问题发生。
4 变频器产生的低频谐波有多大?
4．1电压源型变频器
    对于常用的变频器，其前端用二极管或晶闸管组成三相桥式整流，在直流侧用大电容平波，变频器直接连接在电网上，对于这样的变频装置，称之为电压型谐波源， 它对电网送出的谐波电流大小量值已经载入到IEC标准[7]中，现摘录如附表。

    以5次谐波而言，它只有基波电流的20％，它比附表中的数值要小得多。不过通用变频器并不采用这种电流源型的平波方案。
4．3有源前端的变频器
    这种变频器的特点为没有低频谐波和无功功率，无功甚至可以是正值，但如前述也带来了副作用即电压尖刺。如变频器输出端所产生一样。它的dr／dr值很高，是主要骚扰量，但不难滤掉。
5 如何对付变频器产生的谐波
5．1变频器厂家的责任
    标准[2]规定：制造厂应该或按要求在产品资料中提供在额定负载条件下输入端的谐波电流水平，以基波电流的分数表示，谐波次数应该包括25次及以下，并假定变频器连接在短路比为250的电网上。实际上有这样的规定等于没有，因客户不要求，厂家也就可以不提供。 而且变频器产生的谐波电流大小已有规律可循，如附表的数值已公布在IEC标准[7]中。它对所有三相的电压型谐波源都适用。
    从附表中可以看出，谐波电流大小和变频器接入点的短路比的关系最大，为了有效地降低谐波电流，最实际的方法就是在变频器输入点前串一个线路电抗器， 以变频器额定阻抗为基数的相对电抗率可取为5％左右。有了这么一个电抗器除了能大幅度降低谐波外还能带来许多其它好处，例如：能进一步降低变频器内部直流中间环节大电容所引起的合闸冲击电流，抑制变频器和低压系统之间的交互传导骚扰，降低由于电压和变频器装置参数的不对称引起的线电流不平衡，改善邻近的补偿无功用电容器的工作条件，但也带来一些缺点，除略增加变频器装置的体积、重量、能耗和造价外，还使变频器的端电压有所降低。除开装设总的串联型有源滤波器之外， 当一个低压系统中有数量不少的变频器时，为每台变频器加装一台线路电抗器是不得不采用的基本措施。为此变频器制造厂应该也已经为各种规格的变频器配有相应的电抗器，即使配电变压器所带负载中只有一台小功率的变频器，不设线路电抗器也可能会有问题，因为在系统中有并联电容器时，它的低压谐波阻抗就会加大谐波电流。综上所述，权衡利弊，每台变频器都带一台电抗器还是值得的。
5．2工程设计者的任务
    工程设计者也就是电气系统的设计者，在处理电气系统内的谐波问题时(也可能由滤波器制造厂家承担此任务)，系统内如有多种谐波源，则应了解各种谐波源谐波次数和量的大小，制定出技术经济上合理的谐波治理方案。
    如果最后的方案确定要装设调谐滤波器、失谐滤波器、并联电容器或并联型有源滤波器之中的任一种时，此时系统中的变频器之前都应该要串接一台线路电抗器。
6 谐波问题有多严重
    电力系统中的谐波问题有相当久的历史，开始是电化学工业，例如有色冶金工业的电解铝、锌等，紧跟着有电炉、轧钢机、矿井提升机等大型调速驱动装置均带来了谐波问题，但是近年来由于交流变频器调速的普及，它的谐波量比直流调速装置要大得多，特别是那些变频器大量使用的企业。UPS和变频器一样，也有大的谐波量，此外，现在大量的日用电器如微机、显示器等，其工作电源几乎都是交流整流，并且用大电容平波然后斩波、逆变等，它也带来了不小的谐波，而且是单相的，给低压的中性线也带来了麻烦(发热等)，这可能是某些办公、商务楼的新问题。谐波量大到一定程度，就会骚扰其它电气设备，谐波的长期(≥lOmin)效应主要是使其它电气装置和设备发热量增加，最敏感的是无功补偿电容器，对谐波而言，它是低阻抗，因此它能使变频器(电压型谐波源)的谐波电流增大，阻抗巧合时，还能发生各种谐振，过电流极易使电容器过热损坏。某些有色冶金企业因此不得不将电容器退出运行，因功率因数低而承受罚款。谐波的甚短期(≤3s)效应会骚扰敏感的电子设备，变频器将使邻近的自动化仪表不能正常工作。
    通信、计算机大楼、办公商业大楼等由于有很多的UPS、微机、显示器等产生的大量谐波也给系统自身的正常工作带来许多问题。
    上面这种趋势的发展，使治理低压电网谐波问题的迫切性日益突出，因而近年来涌现了不少的滤波器制造厂和产品。
7 变频器对电网谐波的抗扰水平
    产品标准[2]规定，变频器的抗扰水平应该高于或至少等于它所连接电网的兼容水平，制造厂按此原则和要求进行产品的抗扰性能进行设计，并采用相应的试验或计算以验证设计，结果在产品说明书中载明。
    产品的抗扰度水平和电网的兼容水平之间的关系已在附图中表示。
    谐波的电磁兼容水平标准在我国有两套。一套是自编的，另一套是从IEC标准[8、9]转化而来的。自编的是《GB／T14549—93电能质量公用电网的谐波》，内容陈旧老化，急待修订。但另一套GB转化依据的IEC标准是90年和94年的版本，均已被2002年新版代替，可见我国的谐波标准远落后于时代的发展。
8 变频器输出侧谐波的骚扰影响

    这种骚扰可经电缆传给电动机，影响电动机和电缆，这一部分内容没有包含在标准[2]中，对变频器的输出也未作限制。
    作为受害对象的电动机，IEC公布了第3版的技术说明[1o]，它不是标准，其原因是不能得到成员国多数通过，故在3年内要修改，其内容也没有多少定量规定的建议，例如它说明在某些情况下变频器输出可能要装滤波器，也未说明其电抗值如何确定，因此这个问题目前宜参看各个变频器制造厂的建议或规定。
9 变频器的高频发射对周围电子环境的骚扰及其限制
    这里指的高频是指频率>9kHZ的频带，标准[2]认为变频器的EMC性能要适用它的最终使用环境，可是变频器制造厂并不确知会用于什么环境，因此用户(或工程设计者或主机制造厂，如空调器厂)有责任来确保变频器的EMC性能与最终使用环境相匹配，但这并不是说变频器制造厂一点责任也没有，当变频器所连接的电网中有住宅用户时，标准[2]就对发射量有限制，此种限制根据产品的配售方式不同又分两类，第一类是无约束配售方式的产品，即变频器的供货不依赖于用户的EMC能力，这意味着根据必要的EMC的保护要求，产品有约束性的发射限值，它的限值指标也严格，即发射限值最低。第二类为有约束配售方式，即制造厂对供货商、顾客或用户供货时有约束，他们有责任分别或共同来满足EMC要求，为了经济上的原因，上述有关各方对具体的装置可以选择产品的合适的发射限值等级，在现场按实际的边界条件进行测量以及交流技术资料。此类产品的发射限值比第一类的要宽松些，详见标准[2]。制造厂还可以为变频器配套EMC滤波器供用户选用。
    之所以有上述不同限值发射等级，主要是住户中收音机、电视机易受骚扰(9kHZ左右对电话线也有干扰)，而且和骚扰源之间的距离也不远，在工业企业中，高频骚扰一般不会引起麻烦，但如果变频器近处有自动化仪表或工业控制微机等敏感电子设备，则应采取措施避免由电缆传导和空间发射而来的骚扰。
    欧洲的某些变频器厂家在其产品技术说明的EMC性能～ 节中都有明确提示，即标准产品是约束的配售方式，使用于工业环境，但只要客户要求，所供货的产品也可以是无约束配售方式的即适用于住宅家用环境。
    此外标准[2]也为变频器规定了高频段的抗扰限值。
参考文献
1．GB／T 17624．1-1998(IDT IEC 61000-1-1：1992)电磁兼容综述 电磁兼容基本术语和定义的应用与解释
2．GB 12668．3-2003(IEC 61800—3：1996)调速电力驱动系统第3部分EMC产品标准包括特殊试验方法
3．GB 17625．1-2oo3(IDT IEC 61000—3—2．-2001)电磁兼容限值谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16A)
4．GB／Z 17625．6-2003(IEC／TR 61000—3—4：1998)电磁兼容限值对额定电流>16A的设备在低压供电系统中产生的谐波电流的限值
5．IEC 61000—3—12：2004 电磁兼容 限值 对输入电流>16A和~<75A的设备在公用低压系统中产生的谐波电流的限制
6．蒋麦占 设备发射的谐波电流限制与工程设计的关系《电气工程应用》2005年第3期
7．IEC 61000—2—6：1995 工厂电源系统低频传导骚扰发射水平的评估。
8．GB／T18039．3-2003(IEC61000～2—2：1990)电磁兼容环境公用低压供电系统低频传导骚扰及信号传输的兼容水平。
9．GB／T18089．4-2003 (IEC61000-2—4-1994)电磁兼容环境工厂低频传导骚扰的兼容水平
10．IEC TS60034—17：2003(第3版)旋转电机第17部分变流器馈电的笼型电动机一应用导则