输入侧谐波的影响和消除方法

1.谐波的产生与影响

交-直-交电压型变频器的输入是将交流电源转换为直流电源的整流电路。由于整流器与逆变器之间有大的电容，如图1-18a所示，电源供给变频器的电流实际上是电容的充电电流。图1-18b和c所示为接于三相电源变频器的输入电压和输入电流的波形。这些波形由于内部阻抗的原因，变频器供电电源的容量越大，变频器输入电流的波形就越陡峭，而输入电压的波形畸变则越小；与此相反，电源容量越小，则电流波形就越平缓，而电压的波形畸变则越大。

图1-18 输入谐波

由于电流和电压的波形畸变，引起电网电压波形畸变，产生谐波分量，如图1-18d所示，将给其他接于同一电源的设备带来过热、噪声、误动作等不良影响。而且变频器容量越大，影响也就越大，这些干扰被称为对电网的污染。此外，还会存在功率因数低下问题。为了消除这些不良污染，必须采取有效的对策。

2.消除污染的对策

消除输入谐波影响的方法有使用电抗器、滤波器、多脉波整流、PWM整流等。对要求不高的场合，可采取前两种方法，作为抑制谐波的辅助电路；后两种方法较有效，特别是PWM整流。

（1）使用电抗器 此法是在变频器的整流侧插入直流电抗器，或者在输入端插入交流电抗器；通过插入电抗器，可以减少脉冲状的电流波形的峰值，从而达到改善电流波形的目的。在选择插入电路的电抗器的容量时，应使电抗器上的电压降在负载额定电压的2%～5%范围之内，以免降低驱动电动机的电压。一般情况下，当插入电压降在5%的电抗器时，可以使谐波的含有率得到30%程度上的改善。

（2）使用滤波器 这种方法可以消除一部分影响较大的谐波。滤波器分为LC滤波器和有源滤波器两种，分别如图1-19a和b所示。LC滤波器由电抗器和电容器组成对谐波共振电路，从而达到吸收谐波的目的。有源滤波器的工作原理则是通过有源滤波器对电流中的谐波成分进行检测，并根据检测结果，输入与谐波成分具有相反相位的电流，以此达到抵消谐波的目的。

图1-19 滤波器

a）LC滤波器 b）有源滤波器

（3）采用多脉波整流 多脉波整流是一种有效抑制输入谐波的措施。

交流电变直流电的脉波数对谐波影响较大，一般如下式：

式中 m——可出现的谐波次数；(www.xing528.com)

I_n——某次谐波电流（A）；

n——某次谐波（1，2，3，…，n次）；

I₁——基波电流（A）；

k——整流脉波数（6，12，24，30…）。

由式（1-4）可看出，脉波数越多，低次谐波越少；谐波含量与脉波数成反比。如6脉波，则为I_n=I₁/（6n±1），12脉波，则为I_n=I₁/（12n±1）。脉波数对电源电流、电压畸变的影响比较见表1-1（6脉波即一般六拍三相桥整流器，由6个不可控或可控器件组成）。可以看出，不管是电流型或电压型，在高压变频器中，大部分都采用多脉波数整流，总电流畸变、总电压畸变均小很多。

表1-1 整流脉波数对电源电流、电压畸变的影响比较

图1-20所示为一个12脉波整流电路，变频器由一个具有两个二次的变压器供电。

（4）采用PWM整流器 采用PWM控制方式的整流器，可以将能量回馈给电网，实现四象限运行，也可以达到抑制输入谐波的目的。PWM控制整流器的构成与PWM控制方式的逆变器的电路构成相同，可以通过适当的控制，使变频器的输入电流波形成为正弦波，因此这种整流电路带来的谐波成分非常小，本书后面将有详细讲述。

3.功率因数问题

功率因数的计算必须用电源的有功功率和无功功率的比值来表示。变频器的功率因数因系统而异，一般较低，约为0.7～0.75，这是因为有谐波电流的缘故。基波电流是有功电流，而谐波电流是无功电流，因此它的数值直接影响功率因数的大小，即谐波电流越大，功率因数越小。因此必须采取适当的措施对其加以抑制或消除，以达到提高整个交流调速系统运行效率的目的。

为了改善变频器的输入功率因数，可以在变频器输入端接入输入电抗器来减少谐波。而对于大容量变频器来说，有时也采用在变频器内部的整流电路和平滑电容之间接入直流电抗器的方法来代替输入电抗器。

采用PWM控制的整流电路可以改善功率因数，这是最有效的办法，这种电路本书后面将作详细叙述。

图1-20 12脉波整流的变频器电路