通用变频器的网侧谐波及其对策

一、引言
随着变频器日益广泛的普及和应用，其占电网总负荷的比例已经越来越大。其中大部分系额定电压为三相380V的交直交型变频器（本文以下简称变频器）。而随之带来的网侧谐波问题也越来越受到各变频器用户和供电部门的关注。
本文将简单介绍变频器网侧谐波的产生机理和一些常用谐波抑制技术，然后重点推荐一种实用的谐波计算方法。用户可以按照本文中推荐的方法计算使用变频器时所产生的谐波电流，从而决定应该采用哪种对策，以使整个电气传动系统符合相关的国家标准。
二、网侧谐波的产生机理
1. 谐波电流的产生
由于变频器的整流部分一般为三相全波不可控整流，直流回路采用大电容作为滤波器。这样，虽然变频器的网侧输入电压波形基本上是正弦波，但输入电流是脉冲式的充电电流，含有丰富的谐波。其波形如图1所示。

图1 变频器的输入电压和电流波形
变频器网侧电流的波形由线路总等效阻抗和主电容两端的电压共同决定，同时受二极管整流器本身参数的影响。另外，其电流大小和波形与直流侧电压密切相关，而直流侧电压又会随着负载变化而波动。因此，通过解析表达式定量地计算变频器网侧电流比较困难，在工程上也不实用。一般分析时，可采用简化的近似方法来计算。
2. 谐波电流与线路阻抗的关系
网侧总线路阻抗越大，输入电流就越平滑，谐波电流越小。因此常用直流或交流电抗器来增加线路阻抗，从而改善输入电流波形。
在加入电抗器之后，输入电流的尖峰变小，同时二极管的导通时间变长，因此可以降低变频器的网侧电流谐波含量。
直流电抗器和交流电抗器都可以用于抑制谐波，但两者各有特点。以三菱变频器的电抗器附件FR-BEL（直流）和FR-BAL（交流）为例来说明两者之间的异同。其使用结果见表1。

表1 交流电抗器和直流电抗器使用效果比较
3. 网侧电流波形与直流侧电压的关系
变频器负载变化时，会影响直流侧电压。只有在整流电压大于主电容两端的电压（Ed）时，整流器才会有输入电流。因此，直流电压的大小会决定二极管整流器的导电宽度。表2给出了变频器输入电流波形和直流电压之间的关系。

表2 变频器输入波形和直流电压之间的关系
表2中，波形系数和峰值系数表征输入电流的畸变程度，变频器的输入功率因数被定义为总输入功率和表观功率之比。又由于输入电压和电流的基波相位基本相同，忽略三相不平衡的影响，可以得到
λL≈ILI/IL
即功率因数约等于基波电流和总电流之比。因此表2也可以反映直流侧电压和功率因数之间的关系。
三、抑制高次谐波的对策
1. 相关国家标准
变频器输入电流中偶次谐波和3倍次谐波含量很小，一般都远远低于国标，因此本文主要以分析输入电流中的5，7，11，15，17，19次谐波电流为例。根据国家标准GBT14549—93《电能质量公用电网谐波》和GB12668.3—2003《调速电气传动系统产品的电磁兼容性标准及其特定的试验方法》，公共连接点（PCC）的谐波电流限值与电源短路电流和最大基波负载电流之比相关。在基准短路容量下各次谐波电流允许值