變頻器是現(xiàn)代工業(yè)中廣泛應(yīng)用的設(shè)備。由于用變頻器控制風(fēng)機和水泵能夠顯著節(jié)省電能，因此應(yīng)用日益廣泛。但是，變頻器工作時產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波電流，這已經(jīng)成為電網(wǎng)的主要污染源。
變頻器諧波帶來的最常見的故障現(xiàn)象是，無功補償裝置損壞，跳閘，變壓器過熱，同一個電網(wǎng)上的其他電子設(shè)備受干擾，等等。
主要是低壓變頻器工作時產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波電流，中高壓變頻器一般適用12脈或18脈整流電路，產(chǎn)生的諧波電流很小。
低壓變頻器之所以產(chǎn)生諧波電流，是因為變頻器的輸入端是整流電路。整流電路是最典型的諧波源。一般低壓變頻器的輸入端是三相六脈整流電路，變頻器的電流波形如圖1(a)所示，諧波電流的頻譜如圖1(b)所示，主要成份是：5、7、11、13、17、19等(6N1的規(guī)律)。總諧波電流畸變率THID與變頻器的品牌、變頻器的功率、電網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗、變頻器的負(fù)載等因素有關(guān)。
圖1 變頻器的輸入電流波形和頻譜
變頻器的諧波電流發(fā)射與變頻器的品牌有關(guān)，主要是因為不同品牌的變頻器中所使用的濾波電路的不同，這包括，是否內(nèi)嵌了直流電抗器或交流電抗器、濾波電容的容量大小等。
通常，變頻器的額定功率越小，產(chǎn)生的諧波電流發(fā)射越嚴(yán)重，表1是不同功率的變頻器產(chǎn)生的諧波電流發(fā)射。需要注意的是，這里講的諧波電流發(fā)射嚴(yán)重是指諧波電流畸變率THID更大，并不是諧波電流的絕對值更大。了解這個特點很重要，這意味著，大量的小功率變頻器同時工作時，他們產(chǎn)生的諧波電流要比同樣功率的一臺大功率變頻器產(chǎn)生的諧波更嚴(yán)重。例如，10臺11kW的變頻器工作時向電網(wǎng)注入的諧波電流要大于一臺110kW變頻器工作時向電網(wǎng)注入的諧波電流，盡管他們的總功率相同。
表1 不同功率的變頻器的諧波電流發(fā)射
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變頻器的功率 |
THID |
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1 ~ 20HP |
>100% |
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25 ~ 40HP |
80~100% |
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50 ~ 150HP |
60~80% |
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200HP以上 |
50~70% |
變頻器的諧波電流發(fā)射還與變頻器的負(fù)載有關(guān)，負(fù)載越輕，THID越大。這提示我們不要用功率余量過大的變頻器。例如，如果用22kW的變頻器驅(qū)動11kW電機的電機時，要比用11kW的變頻器驅(qū)動產(chǎn)生更大的諧波電流發(fā)射。請讀者思考其中的道理，這對于加深理解諧波電流產(chǎn)生的機理十分有益。
同一臺變頻器所產(chǎn)生的諧波電流發(fā)射與電網(wǎng)的阻抗有關(guān)，電網(wǎng)的阻抗越低(電源越強，或者電源的短路電流越大)，諧波電流畸變率THID越大，典型的數(shù)值如表2所示。表中，電網(wǎng)的阻抗用額定電流時的電壓降來表示，1%表示在額定電流下，電網(wǎng)上的電壓降為額定電壓的1%。但是，需要注意的是，電網(wǎng)的阻抗較高，變頻器的諧波電流較小，決不意味著諧波電流的危害更小。因為，當(dāng)電網(wǎng)的阻抗較高時，會導(dǎo)致更大的諧波電壓。而諧波電壓是導(dǎo)致其他設(shè)備工作異常的主要原因。
表2 變頻器在不同電網(wǎng)阻抗條件下的諧波電流發(fā)射
諧波次數(shù) | 電網(wǎng)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 |
0.075 |
0.06 |
0.058 |
0.05 |
0.049 |
17 |
0.073 |
0.062 |
0.04 |
0.036 |
0.032 |
0.03 |
19 |
0.06 |
0.042 |
0.03 |
0.028 |
0.025 |
0.022 |
THID |
102.5% |
72.2% |
59.6% |
52.3% |
47.6% |
44.13% |
人們?yōu)榱藴p小變頻器的諧波電流發(fā)射，通常在變頻器的電源輸入端安裝電抗器。這就是根據(jù)表2的原理。輸入電抗器的電感量也用電抗率表示，1%表示電抗器上的電壓降為額定電壓的1%。電抗率越大，電抗器減小諧波電流的效果越明顯。通常，電抗率不能大于5%，否則會影響變頻器的正常工作。
通常，使用電抗器很難將諧波電流畸變率減小到30%以下。要獲得理想的諧波電流控制效果，要在變頻器的電源輸入端安裝專用的諧波濾波器。
需要注意的是，傳統(tǒng)的陷波器型諧波濾波器不適用于變頻器的諧波電流控制。主要是因為，這種濾波器會發(fā)出過大的容性無功功率，并且會吸收上游諧波電流。解決變頻器諧波電流最理想的設(shè)備是HTHF通用諧波濾波器，這種濾波器專門為變頻器類的負(fù)載開發(fā)，可以保證諧波電流畸變率THID < 8%。有源濾波器雖然也有很好的濾波效果，但是其本身比變頻器還要復(fù)雜，不適合于為單臺變頻器配套使用。
