一,、引言
隨著變頻器日益廣泛的普及和應(yīng)用,，其占電網(wǎng)總負(fù)荷的比例已經(jīng)越來越大,。其中大部分系額定電壓為三相380V的交直交型變頻器（本文以下簡稱變頻器）,。而隨之帶來的網(wǎng)側(cè)諧波問題也越來越受到各變頻器用戶和供電部門的關(guān)注,。
本文將簡單介紹變頻器網(wǎng)側(cè)諧波的產(chǎn)生機(jī)理和一些常用諧波抑制技術(shù),，然后重點(diǎn)推薦一種實用的諧波計算方法。用戶可以按照本文中推薦的方法計算使用變頻器時所產(chǎn)生的諧波電流,，從而決定應(yīng)該采用哪種對策,，以使整個電氣傳動系統(tǒng)符合相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)。
二,、網(wǎng)側(cè)諧波的產(chǎn)生機(jī)理
1. 諧波電流的產(chǎn)生
由于變頻器的整流部分一般為三相全波不可控整流,，直流回路采用大電容作為濾波器。這樣,，雖然變頻器的網(wǎng)側(cè)輸入電壓波形基本上是正弦波,，但輸入電流是脈沖式的充電電流，含有豐富的諧波。其波形如圖1所示,。 
圖1 變頻器的輸入電壓和電流波形
變頻器網(wǎng)側(cè)電流的波形由線路總等效阻抗和主電容兩端的電壓共同決定,，同時受二極管整流器本身參數(shù)的影響。另外,，其電流大小和波形與直流側(cè)電壓密切相關(guān),，而直流側(cè)電壓又會隨著負(fù)載變化而波動。因此,，通過解析表達(dá)式定量地計算變頻器網(wǎng)側(cè)電流比較困難,，在工程上也不實用。一般分析時,，可采用簡化的近似方法來計算,。
2. 諧波電流與線路阻抗的關(guān)系
網(wǎng)側(cè)總線路阻抗越大，輸入電流就越平滑,，諧波電流越小,。因此常用直流或交流電抗器來增加線路阻抗，從而改善輸入電流波形,。
在加入電抗器之后,，輸入電流的尖峰變小，同時二極管的導(dǎo)通時間變長,，因此可以降低變頻器的網(wǎng)側(cè)電流諧波含量,。
直流電抗器和交流電抗器都可以用于抑制諧波，但兩者各有特點(diǎn),。以三菱變頻器的電抗器附件FR-BEL（直流）和FR-BAL（交流）為例來說明兩者之間的異同,。其使用結(jié)果見表1。
表1 交流電抗器和直流電抗器使用效果比較
3. 網(wǎng)側(cè)電流波形與直流側(cè)電壓的關(guān)系
變頻器負(fù)載變化時,，會影響直流側(cè)電壓,。只有在整流電壓大于主電容兩端的電壓（Ed）時，整流器才會有輸入電流,。因此,，直流電壓的大小會決定二極管整流器的導(dǎo)電寬度。表2給出了變頻器輸入電流波形和直流電壓之間的關(guān)系,。
表2 變頻器輸入波形和直流電壓之間的關(guān)系
表2中,，波形系數(shù)和峰值系數(shù)表征輸入電流的畸變程度，變頻器的輸入功率因數(shù)被定義為總輸入功率和表觀功率之比,。又由于輸入電壓和電流的基波相位基本相同,，忽略三相不平衡的影響，可以得到
λL≈ILI/IL
即功率因數(shù)約等于基波電流和總電流之比,。因此表2也可以反映直流側(cè)電壓和功率因數(shù)之間的關(guān)系,。
三,、抑制高次諧波的對策
1. 相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)
變頻器輸入電流中偶次諧波和3倍次諧波含量很小，一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國標(biāo),，因此本文主要以分析輸入電流中的5,，7，11,，15,，17，19次諧波電流為例,。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GBT14549—93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》和GB12668.3—2003《調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)產(chǎn)品的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)及其特定的試驗方法》,，公共連接點(diǎn)（PCC）的諧波電流限值與電源短路電流和最大基波負(fù)載電流之比相關(guān)。在基準(zhǔn)短路容量下各次諧波電流允許值如表3所示,。
表3 基準(zhǔn)短路容量下各次諧波電流允許值
其中,，基準(zhǔn)短路容量（Sj）和電壓的關(guān)系為0.38kV～10MVA；6kV10kV～100MVA,。
本文中用的諧波電流限值為GBT14549～93中規(guī)定的基準(zhǔn)短路容量下各次諧波電流允許值,，而GB12668.3～2003附錄B中給出的指標(biāo)為不同Rsc下各次諧波電流的限值（%），兩者可以互相折算,，用戶可以根據(jù)自己的實際情況自行選擇,。
2. 不同系統(tǒng)配置時的諧波含量
根據(jù)三菱電機(jī)提供的數(shù)據(jù)，使用二極管三相橋整流變頻器時,，不同配置下的諧波含量如表4所示。
表4 諧波電流含量表
四,、諧波電流計算方法
1. 計算步驟
如前所述,，變頻器的諧波電流很難直接通過解析公式計算。下面推薦一種計算方法,，供大家參考,。
步驟1：根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和實際變壓器的短路容量計算所允許的各次諧波電流，具體公式為
Ih=IGB（Sr/Sj）
式中：Ih為各次諧波電流允許限值,；IGB為基準(zhǔn)短路容量下各次諧波電流限值,；Sr為實際短路容量，MVA,；Sj為基準(zhǔn)短路容量,，380V時取10MVA。
同一公共連接點(diǎn)的每個用戶向電網(wǎng)注入的諧波電流允許值按此用戶在該點(diǎn)的協(xié)議容量或最大負(fù)荷容量與其供電設(shè)備容量之比進(jìn)行分配,。如果簡單地用諧波電流算術(shù)和的方法,，得到的結(jié)果往往過于保守，會造成資源的浪費(fèi),。推薦使用偽平方求和的方法,，即有
Ihi=Ih（Si/St）1/a
式中：Si為用戶的用電協(xié)議容量或最大負(fù)荷容量,，MVA；St為供電設(shè)備容量,，MVA,；Ihi為折算后的各次諧波電流允許值；a為相位疊加系數(shù),，按表5進(jìn)行取值,。各次諧波的相位疊加系數(shù)如表5所示。
表5 各次諧波的相位疊加系數(shù)
步驟2：額定電流折算
I’e=Ie×（0.38標(biāo)準(zhǔn)電壓）
式中：I’e為折算后的額定電流,；Ie為變頻器的額定電流,。
步驟3：根據(jù)表4以及變頻器的電路形式來確定各次諧波電流的大小，并和步驟1的結(jié)果相比較,，判斷是否符合國標(biāo),。計算公式如下：
Ih=I’e×諧波含量（%）×負(fù)載率
如果不符合國標(biāo)，則應(yīng)采用其他的對策,，如使用電抗器,、添加諧波補(bǔ)償設(shè)備等。
2. 實例分析
供電系統(tǒng)（10kV）短路容量為10MVA,，總供電容量為1MVA,。某用戶協(xié)議容量都為0.5MVA。若某用戶只使用1臺變頻器,，其型號為FR-A540-45K,，負(fù)載率為80%，分析其諧波電流是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn),。計算過程如下,。
(1) 根據(jù)Ih=IGB（Sr/Sj）和表3，容易得到折算后的限值如表6所示,。 
表6 折算后的限值
然后根據(jù)公式Ihi=Ih（Si/St）1/a和表5,，計算得到對應(yīng)該用戶的各次諧波電流限值，如I5=2×（0.51）1/1.2=1.12
分別計算各次諧波電流限值,，得到該用戶的最大允許諧波電流如表7所示,。 
表7 最大允許諧波電流
(2) 查變頻器手冊得到該變頻器的額定電流：Ie=86（A）
折算到10kV側(cè)：
I’e =Ie×（0.3810）=3.27（A）
(3) 在不帶電抗器時，有
I5=3.27×65%×80%=1.7（A）
使用直流電抗器（DCL）時,，有
I’5=3.27×30%×80%=0.78（A）
同理,，可計算得到表8中的數(shù)據(jù)。 
表8 諧波電流計算值
對比表7和表8可以發(fā)現(xiàn),，在不使用直流電抗器時,，5次和7次諧波超標(biāo)。如果使用直流電抗器,，則可以滿足諧波標(biāo)準(zhǔn),。
五,、結(jié)束語
實際應(yīng)用中常用的諧波抑制措施，除了上文所提及的使用電抗器外,，主要還有12相整流和使用可控整流等方式,。但因通用變頻器很少采用這些電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，所以就不再詳敘了,。諧波問題一直是變頻器發(fā)展過程中有待解決的一個主要技術(shù)障礙,。近兩年來，已經(jīng)開始出現(xiàn)一些采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的商業(yè)化低壓變頻器產(chǎn)品,，如三電平變頻器,，矩陣式變頻器（MC）等。相信隨著成本的降低和一些技術(shù)難題的解決,，在未來5～10年內(nèi),，變頻器網(wǎng)側(cè)諧波這一難題將有望得到有效解決，變頻器也將成為名符其實的“綠色電源”,。
