变频器的谐波电流与控制方法

变频器是现代工业中广泛应用的设备。由于用变频器控制风机和水泵能够显著节省电能，因此应用日益广泛。但是，变频器工作时产生严重的谐波电流，这已经成为电网的主要污染源。

变频器谐波带来的最常见的故障现象是，无功补偿装置损坏，跳闸，变压器过热，同一个电网上的其他电子设备受干扰，等等。

主要是低压变频器工作时产生严重的谐波电流，中高压变频器一般适用12脉或18脉整流电路，产生的谐波电流很小。

低压变频器之所以产生谐波电流，是因为变频器的输入端是整流电路。整流电路是最典型的谐波源。一般低压变频器的输入端是三相六脉整流电路，变频器的电流波形如图1(a)所示，谐波电流的频谱如图1(b)所示，主要成份是：5、7、11、13、17、19等(6N1的规律)。总谐波电流畸变率THID与变频器的品牌、变频器的功率、电网系统的阻抗、变频器的负载等因素有关。

图1 变频器的输入电流波形和频谱

变频器的谐波电流发射与变频器的品牌有关，主要是因为不同品牌的变频器中所使用的滤波电路的不同，这包括，是否内嵌了直流电抗器或交流电抗器、滤波电容的容量大小等。

通常，变频器的额定功率越小，产生的谐波电流发射越严重，表1是不同功率的变频器产生的谐波电流发射。需要注意的是，这里讲的谐波电流发射严重是指谐波电流畸变率THID更大，并不是谐波电流的绝对值更大。了解这个特点很重要，这意味着，大量的小功率变频器同时工作时，他们产生的谐波电流要比同样功率的一台大功率变频器产生的谐波更严重。例如，10台11kW的变频器工作时向电网注入的谐波电流要大于一台110kW变频器工作时向电网注入的谐波电流，尽管他们的总功率相同。

表1 不同功率的变频器的谐波电流发射

变频器的谐波电流发射还与变频器的负载有关，负载越轻，THID越大。这提示我们不要用功率余量过大的变频器。例如，如果用22kW的变频器驱动11kW电机的电机时，要比用11kW的变频器驱动产生更大的谐波电流发射。请读者思考其中的道理，这对于加深理解谐波电流产生的机理十分有益。

同一台变频器所产生的谐波电流发射与电网的阻抗有关，电网的阻抗越低(电源越强，或者电源的短路电流越大)，谐波电流畸变率THID越大，典型的数值如表2所示。表中，电网的阻抗用额定电流时的电压降来表示，1%表示在额定电流下，电网上的电压降为额定电压的1%。但是，需要注意的是，电网的阻抗较高，变频器的谐波电流较小，决不意味着谐波电流的危害更小。因为，当电网的阻抗较高时，会导致更大的谐波电压。而谐波电压是导致其他设备工作异常的主要原因。

表2 变频器在不同电网阻抗条件下的谐波电流发射

人们为了减小变频器的谐波电流发射，通常在变频器的电源输入端安装电抗器。这就是根据表2的原理。输入电抗器的电感量也用电抗率表示，1%表示电抗器上的电压降为额定电压的1%。电抗率越大，电抗器减小谐波电流的效果越明显。通常，电抗率不能大于5%，否则会影响变频器的正常工作。

通常，使用电抗器很难将谐波电流畸变率减小到30%以下。要获得理想的谐波电流控制效果，要在变频器的电源输入端安装专用的谐波滤波器。

需要注意的是，传统的陷波器型谐波滤波器不适用于变频器的谐波电流控制。主要是因为，这种滤波器会发出过大的容性无功功率，并且会吸收上游谐波电流。解决变频器谐波电流最理想的设备是HTHF通用谐波滤波器，这种滤波器专门为变频器类的负载开发，可以保证谐波电流畸变率THID < 8%。有源滤波器虽然也有很好的滤波效果，但是其本身比变频器还要复杂，不适合于为单台变频器配套使用。