变频器的谐波电流与控制方法

变频器的谐波危害与控制方法

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，变压器过热，无功补偿装置损坏，跳闸，同一个电网上的其他电子设备受干扰等等。

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，而整流电路是最典型的谐波源。一般变频器的输入端是三相六脉整流电路，变频器的输入电流波形如图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次等（6N ±1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，变频器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，产生的谐波电流越严重，表1是不同功率的变频器产生的总谐波电流畸变率THID 。需要注意的是，这里讲的谐波电流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

变频器的功率

THID 1 ~ 20HP >100%

25 ~ 40HP 80~100%

50 ~ 150HP 60~80%

200HP 以上

50~70%

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。

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2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

谐波次数

电网的阻抗

0.5% 1% 1.5% 2% 2.5% 3%

5 0.8 0.

6 0.5 0.46 0.42 0.4

7 0.6 0.37 0.3 0.22 0.2 0.16

11 0.18 0.12 0.1 0.09 0.08 0.073

13 0.1 0.0750.06 0.0580.05 0.049

17 0.073 0.0620.04 0.0360.032 0.03

19 0.06 0.0420.03 0.0280.025 0.022

THID 102.5% 72.2%59.6%52.3%47.6% 44.13%

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来增大阻抗，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，这种陷波器型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。APF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，造价贵，不适合于为单台变频器配套使用。

解决变频器谐波电流最理想的设备是航天绿电的HTHF通用谐波滤波器，这种滤波器是专门用于变频器的谐波电流控制，可以保证谐波电流畸变率THID < 8%。

航天绿电HTHF通用谐波滤波器虽然是专为3相6脉整流器负载开发的一种无源谐波滤波器，但是它的滤波原理不同于传统的谐波滤波器。传统的谐波滤波器仅对特定次数的谐波有较大的衰减，而HTHF谐波滤波器是一种低通滤波器。所谓低通滤波器，是指他对基波以上所有的电压、电流都有衰减，仅允许基波电流通过。因此，在变频器的电源输入端安装了HTHF谐波滤波器后，不仅变频器发射的谐波电流得到了抑制，而且变频器发射的射频电流也得到了抑制。并且，来自电网上的各种干扰也不能进入到变频器中。

众所周知，电磁干扰是变频器产生的副产品之一。这种干扰来自两个方面，一个是变频器与电机之间的连线产生的电磁辐射。另一个是变频器工作时向电网上发射的射频干扰电流。虽然，大部分变频器的电源输入端都安装了射频干扰滤波器（EMI滤波器），但是这些滤波器仅能够对100kHz以上的射频干扰进行抑制，对于100kHz以下的干扰抑制效果很小。

而变频器产生的干扰分布在载波频率（也就是PWM电压波形的脉冲重复频率）以上的各个频率，主要分布在载波频率的各次谐波上。例如，如果变频器的载波频率为4kHz，则射频干扰主要分布在4kHz、8kHz、12kHz、16kHz、20kHz、24kHz等频率上。标准的射频干扰滤波器对于这些频率的干扰几乎没有抑制效果。

理论研究和实验表明，这些载波频率的各次谐波形成的干扰电流是导致电子设备工作异常的主要原因。对于这些电磁干扰，无论是普通的射频干扰滤波器，还是传统的谐波滤波器，或是有源滤波器，都是无能为力的。值得强调的是，有源谐波滤波器本身就是一个较强的射频干扰发射源。有源滤波器的基本原理与变频器十分相像，他向电网上注入PWM电压。

航天绿电HTHF滤波器对于变频器载波频率及其各次谐波电流有很好的抑制效果，实践表明，变频器安装了航天绿电HTHF谐波滤波器后，对其他电子设备的干扰现象基本都可以消失。例如，某港口的龙门吊工作时，由于变频器的干扰，现场的视频监控系统受到干扰，图像质量很差。在龙门吊的变频器上安装了航天绿电HTHF滤波器后，干扰现象消失。