变频器的主电路一般为交-直-交拓扑结构，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关器件逆变为频率可变的交流电压。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，矩形波按傅里叶级数分解为基波和各次谐波，输入电流的5次谐波可达20%，7次谐波可达12%，由于输入谐波较高将对供电系统产生干扰。在逆变器输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变器件，其PWM的载波频率为2～3kHz，而对于IGBT大功率逆变器件，PWM的最高载频可达15kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而谐波电流对负载直接干扰。另外，谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰附近的电气设备。谐波的传播途径是传导和辐射，解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离；解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。
（1）输入侧产生谐波机理
对于变频器而言，只要是电源侧有整流回路的，都将产生因非线性而引起的谐波。以三相桥式整流电路为例，交流电网电压为正弦波，交流输入电流波形为方波，对于这个波形，按傅氏级数可分解为基波和各次谐波，通常含有6m±1（m=1，2，…）次谐波。单个基波与几个谐波组合在一起被称为谐波，基波与高次谐波如图3-3所示。
图3-3 基波与高次谐波
（2）输出侧产生谐波机理
在逆变输出回路中，输出电压和输出电流均有谐波。由于变频器是通过CPU产生6组脉宽可调的SPWM波控制三相的6组功率元件导通/关断，从而形成电压、频率可调的三相输出电压。其输出电压和输出电流是由SPWM波和三角载波的交点产生的，不是标准的正弦波。如电压型变频器，其输出电压波形为方形波，用傅氏级数分解电压方波和电流正弦锯齿波可分析出包含较强的谐波成分。
对于PWM控制的变频器，只要是电压型变频器，不管是何种PWM控制，其输出电压波形为矩形波。其中，谐波频率的高低是与变频器的调制频率有关，若调制频率低（如1～2kHz），由谐波频率产生的电磁噪声（尖叫声）人耳是能听到的；若调制频率高（如IGBT变频器可达20kHz），由谐波频率产生的电磁噪声（尖叫声）人耳是听不到的，但高频信号是客观存在的。变频器输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，谐波电流对负载直接产生干扰的同时还通过电缆向空间辐射，干扰邻近的电气设备。
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，从而改善输入电流的波形。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。
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角度。变频器输入电流波形和直流电压之间的关系见表3⁃5。
表3-5 变频器输入电流波形和直流电压之间的关系
在表3-5中，波形系数和峰值系数表征输入电流的畸变程度，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
即功率因数cosϕ约等于基波电流和总电流之比，因此表3⁃5也可以反映直流侧电压和功率因数之间的关系。
4.有关谐波的国际及国家标准
（1）国际标准
IEC61000-2-2标准适用于公用电网，规定了电网公共接入点处的各次谐波电压含有的THDv约为8%。IEC61000-2-4标准适用于厂级电网，该标准分三类：第一类对谐波敏感场合（如计算机、实验室等）THDv为5%；第二类针对电网公共接入点和一部分厂内接入点THDv为8%；第三类主要针对厂内接入点THDv为10%。这两个标准规定了不给电网造成损害所允许的谐波程度，它们规定了最大允许的电压畸变率THDv。
以上两个标准还规定了电气设备所允许产生的谐波电流的幅值，IEC61000-2-2标准主要针对16A以下，IEC61000-2-4标准主要针对16～64A。IEEE519-1992标准是个建议标准，目标是将单次THDv限制在3%以下，总THDv限制在5%以下。
（2）国内标准
GB/T 14549—1993中规定，公用电网谐波电压（相电压）限值为380V（220V），电网电压总THDv为5%，各次谐波电压含有率奇次为4%，偶次为2%。
由以上标准看来，一般单次电压畸变率在3%～6%的范围，总电压畸变率在5%～8%的范围内是可以接受的。普通的抗干扰标准EN50081和EN50082以及针对变频器的EN61800标准，定义了设备在不同的环境中运行时的辐射及抗干扰水平。上述标准定义了在不同环境条件下的可接受辐射等级：
L级，无辐射限制，适用于在不受干扰的环境下使用变频器的用户和自己处理辐射限制的用户。
H级，根据EN61800-3确定的限制，第一环境：有限制分布和第二环境。作为变频器选件的RFI滤波器，若配置可以使变频器达到商业级，通常用于非工业的环境。
根据国家标准GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》和GB 12668.3—2003《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。基准短路容量下各次谐波电流允许值见表3-6。
表3-6 基准短路容量下各次谐波电流允许值
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谐波电流限值为GB/T 14549—1993中规定的基准短路容量下各次谐波电流允许值，而GB 12668.3—2003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，应用时可以根据自己的实际情况自行选择。
5.谐波电流的计算方法
变频器的谐波电流很难直接通过解析公式计算，在工程上可采用以下方法计算：
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
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计算的方法，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：
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。
各次谐波的相位叠加系数见表3-7。
表3-7 各次谐波的相位叠加系数
2）额定电流折算：
I′e=Ie×（0.38标准电压）（3-4）式中，I′e为折算后的额定电流；Ie为变频器的额定电流。
3）根据表3-7以及变频器的电路形式来确定各次谐波电流的大小，并和1）的结果相比较，判断是否符合国标。计算公式如下：
Ih=I′e×谐波含量（%）×负载率（3-5）
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。
6.谐波的危害
变频器谐波对容量大的电力系统的危害不是十分明显，但是对容量小的电力系统，谐波产生的干扰就不可忽视。它对公用电网是一种污染，可使用电设备所处的环境恶化，给周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。谐波污染对电力系统的危害的严重性主要表现在以下几个方面：
1）谐波使电网中的电气元件产生了附加的谐波损耗，降低了输变电及用电设备的效率。谐波和间谐波的趋肤效应使输电线的等效截面积变小，由于趋肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率的增加而提高，线路损耗增加，造成电能的浪费。由于中性线正常时流过的电流很小，故其导线较细，当大量的三次谐波电流流过中性线时，会使导线过热，绝缘老化，寿命缩短，损坏甚至发生火灾。谐波和间谐波电流导致电网电压波形畸变和辐射干扰，引起同一电网下其他负载出力减小，损耗增加，甚至误动作，降低了供配电设施运行的可靠性。
2）谐波可以通过电网传导到其他的用电器，经传导来的谐波会干扰电气设备内部软件或硬件的正常运行。
3）谐波会引起电网中局部的串联或并联谐振，从而使谐波放大，甚至引发严重事故。
4）谐波电流将增加变压器的铜损，谐波电压将增加变压器的铁损，综合效果使变压器的温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减小。谐波也可引起变压器绕组及线间电容之间的共振，引起铁心磁通饱和而产生噪声。
5）谐波引起电动机附加发热，导致电动机的额外温升，使电动机需要降额使用，由于输出波形失真，增加了电动机的重复峰值电压，影响了电动机的绝缘。谐波还会引起电动机转矩脉动，以及使噪声增加。谐波对发电机的影响是产生附加功率损耗、发热、机械振动、噪声和过电压。
6）一般电容器的标准规范规定其最大电流只允许35%过载，但实际运行时，由于谐波的影响，以致常发生严重过载。由于电容器的阻抗随频率的增加而减少，故谐波产生时，电容器即成为一陷流点，流入大量电流，因而导致过热，增加介电质的应力，甚至损坏电容器。当电容器与线路阻抗达到共振条件时，会发生振动短路、过电流及产生噪声。谐波将使电容器的感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备损坏。
7）由于谐波电流的存在，开关设备在开断瞬间产生很高的di/dt电流变化率，致使增加了暂态恢复电压的峰值，以致破坏绝缘。这将使开关设备开断困难，并且延长了故障电流的切除时间。
8）变频器输入、输出引线和电动机内部均存在分布电容，且变频器使用的载波频率较高，因此变频器的对地漏电流较大，有时会导致保护电器误动作，造成不必要的供电中断和生产损失。
9）谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差。变频器产生的谐波也对其附近的通信系统产生干扰，轻者出现噪声，降低通信质量，重者丢失信息，使通信系统无法正常工作。
10）谐波辐射干扰使经过变频器输出导线附近的控制信号、检测信号等弱电信号受到干扰，严重时使系统无法得到正确的检测信号，或使控制系统紊乱。
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