变频器谐波的产生原因及抑制、计算方法来源：中国节能产业网时间：2009-3-13 13:24:13、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。血 FlFR-FIAL谐就m st黑5規神滅：闌谱5和绒：30%（覲岂电流时）功丰因粧0 95怖电流押讯尙卅用无作阳电压降1%型下廣I讣对比10 14- 0 23忡段时比1054愉松时比10.5- 0L 85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ZL-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 GBT1454993电能质量公用电网谐波和GB12668.32003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如表 3 所示。3571 1、L3,蜿a1. 11.21.斗L 81. 92表 3 基准短路容量下各次谐波电流允许值其中，基准短路容量（Sj）和电压的关系为0.38kV10MVA； 6kV10kV100MVA。本文中用的谐波电流限值为GBT1454993中规定的基准短路容量下各次谐波电流 允许值，而GB12668.32003附录B中给出的指标为不同Rsc下各次谐波电流的限值（%），两者可以互相折算，用户可以根据自己的实际情况自行选择。2. 不同系统配置时的谐波含量根据三菱电机提供的数据，使用二极管三相桥整流变频器时，不同配置下的谐波含量 如表 4 所示。57II1.31.71.921.50.930.790.60. 54表 4 谐波电流含量表四、谐波电流计算方法1. 计算步骤如前所述，变频器的谐波电流很难直接通过解析公式计算。下面推荐一种计算方法， 供大家参考。步骤 1：根据国家标准和实际变压器的短路容量计算所允许的各次谐波电流，具体公式为Ih=IGB（Sr/Sj）式中：Ih为各次谐波电流允许限值；IGB为基准短路容量下各次谐波电流限值；Sr 为实际短路容量，MVA； Sj为基准短路容量，380V时取10MVA。同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容 量或最大负荷容量与其供电设备容量之比进行分配。如果简单地用谐波电流算术和的方 法，得到的结果往往过于保守，会造成资源的浪费。推荐使用伪平方求和的方法，即有Ihi=Ih（Si/St）1/a式中：Si为用户的用电协议容量或最大负荷容量，MVA； St为供电设备容量，MVA； Ihi为折算后的各次谐波电流允许值；a为相位叠加系数，按表5进行取值。各次谐波的 相位叠加系数如表5所示。its啟次裁571 11?17191 . 120.910.630.550.420.38表 5 各次谐波的相位叠加系数步骤 2：额定电流折算Ie=Iex （0.38 标准电压）式中：Ie为折算后的额定电流；Ie为变频器的额定电流。步骤3：根据表4以及变频器的电路形式来确定各次谐波电流的大小，并和步骤1的结果相比较，判断是否符合国标。计算公式如下：Ih=Iex谐波含量() x负载率如果不符合国标，则应采用其他的对策，如使用电抗器、添加谐波补偿设备等。2. 实例分析供电系统(10kV)短路容量为10MVA,总供电容量为1MVA。某用户协议容量都为 0.5MVA。若某用户只使用1台变频器，其型号为FR-A540-45K,负载率为80%，分析 其谐波电流是否满足国家标准。计算过程如下。(1)根据Ih=IGB (Sr/Sj)和表3,容易得到折算后的限值如表6所示。5711J317191世鞍电流/1.71 . 10.220.20. 1 10.0SncL0.78130.220. 130. 12O.OB表 6 折算后的限值然后根据公式Ihi=Ih (Si/St) 1/a和表5,计算得到对应该用户的各次谐波电流限值, 如 I5=2x(0.51) 1/1.2=1.12分别计算各次谐波电流限值,得到该用户的最大允许谐波电流如表7 所示。?71 1I?1719IWW/A1 . 120.910.630.550.420.38表 7 最大允许谐波电流(2) 查变频器手册得到该变频器的额定电流：Ie=86(A)折算到10kV侧：Ie =Iex(0.3810) =3.27(A)(3) 在不带电抗器时,有I5=3.27x65%x80%=1.7 (A)使用直流电抗器（DCL ）时，有I5=3.27x30%x80%=0.78 （A）同理，可计算得到表8中的数据电逹57IIJ31719圮Eg抗赛1.71 . 10.220.20. 1 10.0SDCL0.7S130.22d. 130. 12表 8 谐波电流计算值对比表7和表8可以发现，在不使用直流电抗器时， 5次和7次谐波超标。如果使用 直流电抗器，则可以满足谐波标准。五、结束语实际应用中常用的谐波抑制措施，除了上文所提及的使用电抗器外，主要还有12相 整流和使用可控整流等方式。但因通用变频器很少采用这些电路拓扑结构，所以就不再 详叙了。谐波问题一直是变频器发展过程中有待解决的一个主要技术障碍。近两年来， 已经开始出现一些采用新的电路拓扑结构的商业化低压变频器产品，如三电平变频器， 矩阵式变频器（MC）等。相信随着成本的降低和一些技术难题的解决，在未来510 年内，变频器网侧谐波这一难题将有望得到有效解决，变频器也将成为名符其实的“绿 色电源”。