高压变频器的谐波分析
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高压变频器的整流和逆变线路都使用了电力电子器件的开关特性，在其输入和输出端都会产生波形畸变，对供电线路和负载电机造成有害的影响。因此高压变频器的谐波含量是决定其性能和应用效果的重要参数之一。在这一讲中，我们将对这种谐波影响的机理和消除方法作一介绍。
2.1 谐波对供电电源的影响 对供电电源而言，高压变频器的开关特性形成一个非线性负载。这种非线性负载改变了交流电力线路中电流的正弦波特性，从而在交流电力系统中产生有害的高次谐波。这种谐波影响的机理如图1所示。 图中，PCC为配电线路的公共供电点，变频器为连接于该点的谐波源，其谐波电流经过电源内阻的耦合作用，造成PCC点交流电压的波动。此谐波电压将使连接PCC点上的通讯设备、计算机及其他用电设备受到干扰，严重时不能正常工作。又由于电源内阻Zs的电阻极小，可忽略不计，基本上是一个电抗。当电网上接有功率因数补偿器等电容负载时，电源电抗有可能和负载电容形成谐振，这个谐振频率接近于谐波源的某个谐波频率时，会在PCC点上产生很高的谐波电压。为此，必须使变频器的谐波电流减小到一定程度，才不会对电路中的其他设备造成有害的影响。
2.2 IEEE-519简介 为了限制变流装置对电力系统的谐波干扰，有利于电力电子装置的推广应用，世界各国都相继制定了有关的国家标准，以保证电网的供电质量。其中最具权威性的是美国电气和电子工程协会(IEEE)制定并作为美国国家标准(ANSI)的IEEE-519。 IEEE-519在1981年首次颁布，称为“IEEE std.519-1981 关于静态功率变换器的谐波控制和无功补偿的指南 ”。1992年经修订后又重新发布了“IEEE std.519-1992”,称为 “IEEE对电功率系统中谐波控制的要求和推荐标准 ”。该标准详细分析了波形畸变的原因及其影响; 确定了判别畸变程度的参量; 制定了对电力系统中波形畸变的限制; 介绍了波形畸变的分析方法和控制措施等，对从事大功率变频调速系统开发和应用的工程技术人员具有指导性的作用。 IEEE中用来判别波形畸变的最主要指标是畸波系数(或谐波系数) DF: 式中Hi为基波的幅值，Hn为n次谐波的幅值。分子表示所有谐波的均方根(RMS)值。 另外，标准中常使用的两个指标有: THD: 总谐波畸变(Total Harmonic Distor-tion)，是以正常基波电压的百分比表示的谐波电压总畸变值。 实际上，对同一个波形而言: THD = DF TDD: 总指令值畸变 (Total Demand Distor-tion)，是以******指令负载电流(15或30分钟指令)的百分比表示的谐波电流畸变。 表1列出IEEE对公共供电点(PCC)处电压畸变的限制要求: 表1可用于正常运转条件下(连续运行1小时以上) “最坏情况”的系统设计。短期起动或非正常条件下，限制值可超过50%。 另一方面，从前面的分析我们已经知道，一个非线性负载造成的畸变电压，还与该负载的电流在电源阻抗上产生的压降大小有关，即与负载容量的大小有关。为此引入参数Isc/IL，表示在PCC点上电源短路电流与******基波负载电流之比。其中，IL为******基波指令负载电流，从以前12个月期间******指令的平均电流计算得到。IEEE允许负载容量较小的用户引入供电点的谐波电流可以大一些，这有利于合理分配用电和合理设计变流装置。表2给出了不同Isc/IL值下对变流设备谐波的限制。
2.3 我国关于波形畸变限制的规定 我国国家标准GB12668-90“交流电动机半导体变频调速装置总技术条件”中对交流输入电源规定: 电压的稳态相对谐波含量的均方根值不超过10%。其中任何奇次谐波均不超过5%，任何偶次谐波均不超过2%，短时(持续时间小于30秒)出现的任意一次谐波含量不超过10%。
2.4 谐波分析 用计算机的谐波分析程序可计算高压变频器的谐波电流和这些谐波电流电源供电点上产生的电压波形畸变。如果电源阻抗小，短路容量大，计算出的总谐波畸变(THD)小于IEEE 519的规定，变频器的投入就不会对供电点上其他用电器带来问题。如果THD超出规定范围，就必须增加输入滤波器。设计程序可帮助设计者选择滤波器的参数，直到达到要求为止。谐波分析需要的输入数据包括: - 电源阻抗及输入变压器阻抗 - 变频器型号及有关参数 - 电机型号、有关参数及负载特性曲线 - 依据的波形畸变和功率因数限制标准 以图2(a)中的SCR电流型变频驱动系统为例，设变频器从电网的输入端为电源的PCC点，以额定容量3750kVA为基准的标准电源阻抗为0.05，变频器是2400V，1600kW，当没有滤波器时可计算得出其电流波形(参见图2(b))，和各项谐波分量及总谐波畸变值。数据表明，其总电流波形畸变THD=29.4%，总电压波形畸变THD=10.4%，均超过IEEE-519标准的要求。 当引入图3(a)所示的滤波器后，仿真计算表明(参见图3(b))，电流的THD降为7%，电压的THD降为3%，均达到IEEE 519的标准。
2.5 谐波对电机及驱动负载的影响 高压变频器输出电流谐波对电机及拖动负载同样会造成有害的影响。这种影响既有机械的、也有电气的。
2.5.1转矩脉动和转矩分析 一般工频电源供电的电动机，因为定子电压和电流都是标准的正弦波，不含谐波成分，所以运转平稳，无脉动。但当由变频器对电机供电时，如果变频器输出电流中含有谐波成分，电机的转矩就会产生脉动。以6相电流型变频器为例，其输出电流波形中包含6k±1次(k=1，2，…)的高次谐波，因而电动机就会产生频率为定子电流基本频率6k倍的脉动转矩。对一般负载，这样大小的脉动转矩影响不大。但如果电机要求在低速下运行(<2Hz)时，有可能导致转速不匀均。对风机和水泵等泵类负载，如果在调速范围内，某个机械部件的固有振荡频率和脉动转矩的频率一致的话，该部件将发生谐振，会对设备造成潜在的损伤并产生噪声。因此有必要在事先作出转矩分析，避免上述情况发生。 转矩分析主要对旋转件进行。输入数据包括机械变量和谐波转矩分量。在作转矩分析之前，先要把变频器的输出电流、电压的谐波分量控制到标准规定的限度以内，必要的话，应增加输出变压器或滤波器。转矩分析的结果如果还存在潜在的谐振，就要从机械上没法加以避免。 主要可能产生谐振的构件有: - 带内部冷却叶片的主轴。主轴固有振荡频率一般低于几十Hz，但叶片等构件的固有振荡频率可能较高。可通过改变连接刚性和增加阻尼来解决。 - 风机和水泵的叶轮和叶片 - 大的平板形外罩、壳体等。是主要噪声谐振的来源。可通过加皮筋和橡皮来解决。
2.5.2谐波对电动机的影响 变频器输出电流谐波对电动机的影响,还表现在噪声过大和发热超标。因此，对由含有谐波电流供电的电动机，即使谐波达到了一定标准，也应根据情况，适当“降额使用”。也就是说，电机不要用足100%的负载，而至少要考虑5%的余量。
2.6 降低高压变频器波形畸变的措施 降低高压变频器对电流的畸变影响，最根本的方法当然是尽可能减少以至消除高压变频器本身电流的波形畸变。为此，各高压变频器制造商都在努力研究新的方法，开发低谐波的高压变频器产品。 目前，已在产品中得到应用的低谐波技术归纳如下: (1) 逆变单元的并联多元化 采用2个或多个逆变单元并联，通过波形移位叠加，抵消谐波分量。 (2) 整流电路的多重化 在PWM变频器的输入整流电路中采用12脉波，18脉波或24脉波的整流，以减小谐波。 (3) 功率单元的串联多重化 采用多脉波(如30脉波)的串联功率单元多重化线路，可将其谐波减到很小。 (4) 探讨新的变频调制方法，如电压矢量的变形调制。