變頻器選型時，電氣網(wǎng)友經(jīng)常會遇到這樣一些技術(shù)要求，如技術(shù)要求中明確要求所選變頻器產(chǎn)生的電壓諧波和電流諧波必須要符合中國國家公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)和國際IEEE519等標(biāo)準(zhǔn)要求，具體數(shù)值是總的電壓諧波畸變率和總的電流諧波率要低于5%，針對這個要求，哪些變頻器能符合這些標(biāo)準(zhǔn)要求呢？這個問題可能不僅會困惑很多銷售，同時也可能讓很多電氣工程師很糾結(jié)，所以在本次論壇上我們歡迎各位網(wǎng)友能夠積極探討，加上理論分析和實(shí)測諧波大小，能夠讓各位網(wǎng)友明確以下基本概念，正確選擇變頻器，降低變頻器對電網(wǎng)的干擾。
什么是諧波
諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國數(shù)學(xué)家傅立葉(M．Fourier)分析原理證實(shí)，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以I區(qū)分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號的為奇次諧波，而2、4，6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時，2次諧波為100Hz，3次諧波則是150Hz。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。對于三相整流負(fù)載，出現(xiàn)的諧波電流是6n±1次諧波，變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。
諧波電流計(jì)算方法
計(jì)算步驟
步驟1：根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際變壓器的短路容量計(jì)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(shí)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)議容量或比較大負(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)議容量或比較大負(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)，各次諧波的相位疊加系數(shù)可按相關(guān)表格查得。
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)諧波電流含量表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(jì)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。
諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)
關(guān)于諧波的常用標(biāo)準(zhǔn)是GB-T14549和IEEE519以及GB-T17625。
GB-T14549是中國國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，是針對電網(wǎng)提出的諧波限制要求。電力公司使用這個標(biāo)準(zhǔn)來保證公共電網(wǎng)的質(zhì)量滿足要求。IEEE519是對應(yīng)于GB-T14549的國際標(biāo)準(zhǔn)，作為“電力系統(tǒng)中的諧波控制推薦實(shí)施和要求”，這個標(biāo)準(zhǔn)的目的是為處理靜止功率補(bǔ)償器和其他非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波提供指南，從而避免電網(wǎng)質(zhì)量問題。比較近隨著變頻器和其他非線性負(fù)載增加，電力公司開始推行這個標(biāo)準(zhǔn)。如不采取諧波處理措施，大部分變頻器不能滿IEEE519要求。
GB-T17625是針對接入電網(wǎng)的設(shè)備提出的諧波限制要求，當(dāng)接入電網(wǎng)的設(shè)備滿足這個標(biāo)準(zhǔn)時，就不會對電網(wǎng)造成危害。因此，設(shè)備制造商有義務(wù)使所制造的設(shè)備滿足這個標(biāo)準(zhǔn)的要求，電力公司有權(quán)利限制不滿足GB-T17625的設(shè)備接入電網(wǎng)。
另一方面，設(shè)備的采購方有權(quán)利要求所采購的設(shè)備滿足GB-T17625，否則，企業(yè)會承受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。企業(yè)承受的經(jīng)濟(jì)損失來自兩個方面。第一，設(shè)備在運(yùn)行時，會對用戶的內(nèi)部電網(wǎng)產(chǎn)生危害，造成制造系統(tǒng)的故障，降低產(chǎn)量，增加廢品率；第二，設(shè)備運(yùn)行后，企業(yè)不能滿足GB-T14549的要求，需要對電力公司承擔(dān)責(zé)任，接受處罰。
綜上所述，GB14549體現(xiàn)了電力公司與電力用戶之間的責(zé)任關(guān)系。GB17625體現(xiàn)了設(shè)備制造商與設(shè)備用戶之間責(zé)任關(guān)系。
一、在變頻器輸入側(cè)的對策
1、變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立，或在變頻器和其他用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器，切斷諧波電流。
2、設(shè)置交流電抗器。在電源與變頻器輸入側(cè)之間串聯(lián)交流電抗器，這樣可使整流阻抗增大來有效抑制高次諧波電流，提高輸入電源的功率因數(shù)，使進(jìn)線電流的波形畸變大約降低30%～50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。
3、設(shè)置交流濾波器。濾波器串聯(lián)在變頻器輸入側(cè)，由電感線圈組成，通過增大電路的阻抗減小頻率較高的諧波電流。目前諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器。它串聯(lián)或是并聯(lián)于主電路中，實(shí)時從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，其特性不受系統(tǒng)的影響，無諧波放大的危險(xiǎn)，因而備受關(guān)注。
二、采用多相脈沖整流
在條件允許或是要求諧波限制在比較小的情況下，可采用多相整流的方法。12相脈沖整流THDV大約為10%～15%，18相脈沖整流的THDV約為3%～8%，滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。缺點(diǎn)是需要專用變壓器，不利于設(shè)備的改造，價格較高。
三、屏蔽干擾源
屏蔽干擾源是抑制干擾的比較有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏；輸出線比較好用鋼管屏蔽，特別是以外部信號控制變頻器時，要求信號線盡可能短(一般為20m以內(nèi))，且信號線采用雙芯屏蔽，并與主電路線(AC380V)及控制線(AC220V)完全分離，決不能放于同一配管或線槽內(nèi)，周圍電子敏感設(shè)備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。正確的接地既可以使系統(tǒng)有效地抑制外來干擾，又能降低設(shè)備本身對外界的干擾。對于變頻器，主回路端子PE的正確接地是減小變頻器干擾的重要手段，因此在實(shí)際應(yīng)用中一定要非常重視。變頻器接地導(dǎo)線的截面積一般應(yīng)不小于2.5mm，長度控制在20m以內(nèi)。建議變頻器的接地與其他動力設(shè)備接地點(diǎn)分開，不能共地。
四、變頻器諧波的治理可采用以下方法：
（1）變頻器的隔離、屏蔽、接地：變頻器系統(tǒng)的供電電源與其它設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立。或在變頻器和其它用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器。或者將變頻器放入鐵箱內(nèi)，鐵箱外殼接地。同時變頻器輸出電源應(yīng)盡量遠(yuǎn)離控制電纜敷設(shè)（不小于50mm間距），必須靠近敷設(shè)時盡量以正交角度跨越，必須平行敷設(shè)時盡量縮短平行段長度（不超過1mm），輸出電纜應(yīng)穿鋼管并將鋼管作電氣連通并可靠接地。作
（2）加裝交流電抗器和直流電抗器：當(dāng)變頻器使用在配電變壓器容量大于500KVA，且變壓器容量大于變頻器容量的10倍以上，則在變頻器輸入側(cè)加裝交流電抗器。而當(dāng)配電變壓器輸出電壓三相不平衡，且不平衡率大于3%時，變頻器輸入電流峰值很大，會造成導(dǎo)線過熱，則此時需加裝交流電抗器。嚴(yán)重時則需加裝直流電抗器。）
（3）加裝無源濾波器：將無源濾波器安裝在變頻器的交流側(cè)，無源濾波器由L、C、R元件構(gòu)成諧波共振回路，當(dāng)LC回路的諧波頻率和某一次高次諧波電流頻率相同時，即可阻止高次諧波流入電網(wǎng)。無源濾波器特點(diǎn)是投資少、頻率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便。無源濾波器缺點(diǎn)是濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響，對某些次諧波有放大的可能、耗費(fèi)多、體積大。直
（4）加裝有源濾波器：早在70年代初，日本學(xué)者就提出有源濾波器的概念，由源濾波器通過對電流中高次諧波進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果輸入與高次諧波成分具有相反相位電流，達(dá)到實(shí)時補(bǔ)償諧波電流的目的。與無源濾波器相比具有高度可控性和快速響應(yīng)性，有一機(jī)多能特點(diǎn)。且可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振危險(xiǎn)。也可自動跟蹤補(bǔ)償變化的諧波。但存在容量大，價格高等特點(diǎn)。公
（5）加裝無功功率靜止型無功補(bǔ)償裝置：對于大型沖擊性負(fù)荷，可裝設(shè)無功功率的靜止型無功補(bǔ)償裝置，以獲得補(bǔ)償負(fù)荷快速變動的無功需求，改善功率因數(shù)，濾除系統(tǒng)諧波，減少向系統(tǒng)注入諧波電流，穩(wěn)定母線電壓，降低三相電壓不平衡度，提高供電系統(tǒng)承受諧波能力。而其中以自飽和電抗型（SR型）的效果比較好，其電子元件少，可靠性高，反應(yīng)速度快，維護(hù)方便經(jīng)濟(jì)，且我國一般變壓器廠均能制造。元
（6）線路分開：因電源系統(tǒng)內(nèi)有阻抗，所以諧波負(fù)荷電流將造成電壓波形的諧波電壓畸形。把產(chǎn)生諧波的負(fù)荷的供電線路和對諧波敏感的負(fù)荷供電線路分開，線性負(fù)荷和非線性負(fù)荷從同一電源接口點(diǎn)PCC開始由不同的電路饋電，使非線性負(fù)荷產(chǎn)生的畸變電壓不會傳導(dǎo)到線性負(fù)荷上去。
（7）電路的多重化、多元化：逆變單元的并聯(lián)多元化是采用2個或多個逆變單元并聯(lián)，通過波形移位疊加，抵消諧波分量；整流電路的多重化是采用12脈波、18脈波、24脈波整流，可降低諧波成分；功率單元的串聯(lián)多重化是采用多脈波（如30脈波的串聯(lián)），功率單元多重化線路也可降低諧波成分。此外還有新的變頻調(diào)制方法，如電壓矢量的變形調(diào)制。，
（8）變頻器的控制方式的完善：隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)發(fā)展，變頻器控制方式有了以下發(fā)展：數(shù)字控制變頻器，變頻器數(shù)字化采用單片機(jī)MCS51或80C196MC等，輔助以SLE4520或EPLD液晶顯示器等來實(shí)現(xiàn)更加完善的控制性能；多種控制方式結(jié)合，單一的控制方式有著各自的缺點(diǎn)，如果將這些單一控制方式結(jié)合起來，可以取長補(bǔ)短，從而達(dá)到降低諧波提高效率的功效。止
（9）使用理想化的無諧波污染的綠色變頻器：綠色變頻器的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負(fù)載使都能使功率因數(shù)為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出功率。
五、變頻器電抗器的選擇問題
1， 額定交流電流的選擇
額定交流電流是從發(fā)熱方面設(shè)計(jì)電抗器的長期工作電流，同時應(yīng)該考慮足夠的高次諧波分量。即輸出電抗器實(shí)際流過的電流是變頻器電機(jī)負(fù)載的輸出電流。
2， 電壓降
電壓降是指50HZ時，對應(yīng)實(shí)際額定電流時電抗器線圈兩端的實(shí)際電壓降。通常選擇電壓降在4V~8V左右。
3， 電感量的選擇
電抗器的額定電感量也是一個重要的參數(shù)！若電感量選擇不合適，會直接影響額定電流下的電壓降的變化，從而引起故障。而電感量的大小取決于電抗器鐵芯的截面積和線圈的匝數(shù)與氣隙的調(diào)整。
輸出電抗器電感量的選擇是根據(jù)在額定頻率范圍內(nèi)的電纜長度來確定，然后再根據(jù)電動機(jī)的實(shí)際額定電流來選擇相應(yīng)電感量要求下的鐵芯截面積和導(dǎo)線截面積，才能確定實(shí)際電壓降。
4，對應(yīng)額定電流的電感量與電纜長度：
電纜長度 額定輸出電流 電感量
300米 100A 46μH
200A 23μH
250A 16μH
300A 13μH
600米 100A 92μH
200A 46μH
250A 34μH
300A 27μH
理想的電抗器在額定交流電流及以下，電感量應(yīng)保持不變，隨著電流的增大，而電感量逐漸減小。
當(dāng)額定電流大于2倍時，電感量減小到額定電感量的0.6倍。
當(dāng)額定電流大于2.5倍時，電感量減小到額定電感量的0.5倍。
當(dāng)額定電流大于4倍時，電感量減小到額定電感量的0.35倍。
六、降低變頻器諧波可以采用以下方法：
1）變頻器的隔離、屏蔽、接地：變頻器系統(tǒng)的供電電源與其它設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立。 或在變頻器和其它用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器。或者將變頻器放入鐵箱內(nèi)，鐵箱外殼接地。同時變頻器輸出電源應(yīng)盡量遠(yuǎn)離控制電纜敷設(shè)（不小于50mm間距），必須靠近敷設(shè)時盡量以正交角度跨越，必須平行敷設(shè)時盡量縮短平行段長度（不超過1 mm ），輸出電纜應(yīng)穿鋼管并將鋼管作電氣連通并可靠接地。
2）加裝交流電抗器和直流電抗器：當(dāng)變頻器使用在配電變壓器容量大于500KVA ，且變壓器容量大于變頻器容量的10倍以上，則在變頻器輸入側(cè)加裝交流電抗器。而當(dāng)配電變壓器輸出電壓三相不平衡，且不平衡率大于3% 時，變頻器輸入電流峰值很大，會造成導(dǎo)線過熱，則此時需加裝交流電抗器。嚴(yán)重時則需加裝直流電抗器。
3）加裝無源濾波器：將無源濾波器安裝在變頻器的交流側(cè)，無源濾波器由 L、C、R元件構(gòu)成諧波共振回路，當(dāng) LC 回路的諧波頻率和某一次高次諧波電流頻率相同時，即可阻止高次諧波流入電網(wǎng)。無源濾波器特點(diǎn)是投資少、頻率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便。無源濾波器缺點(diǎn)是濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響，對某些次諧波有放大的可能、耗費(fèi)多、體積大。
4）加裝有源濾波器：早在70年代初，日本學(xué)者就提出有源濾波器的概念，由源濾波器通過對電流中高次諧波進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果輸入與高次諧波成分具有相反相位電流，達(dá)到實(shí)時補(bǔ)償諧波電流的目的。與無源濾波器相比具有高度可控性和快速響應(yīng)性，有一機(jī)多能特點(diǎn)。且可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振危險(xiǎn)。也可自動跟蹤補(bǔ)償變化的諧波。但存在容量大，價格高等特點(diǎn)。
5）加裝無功功率靜止型無功補(bǔ)償裝置：對于大型沖擊性負(fù)荷，可裝設(shè)無功功率的靜止型無功補(bǔ)償裝置，以或得補(bǔ)償負(fù)荷快速變動的無功需求，改善功率因數(shù)，濾除系統(tǒng)諧波，減少向系統(tǒng)注入諧波電流，穩(wěn)定母線電壓，降低三相電壓不平衡度，提高供電系統(tǒng)承受諧波能力。而其中以自飽和電抗型( SR型 ) 的效果比較好，其電子元件少，可靠性高，反應(yīng)速度快，維護(hù)方便經(jīng)濟(jì)，且我國一般變壓器廠均能制造。
6）線路分開：諧波產(chǎn)生的根本原因是由于使用了非線性負(fù)載，因此，解決的根本辦法是把產(chǎn)生諧波的負(fù)載的供電線路和對諧波敏感的負(fù)載的供電線路分開。由于非線性負(fù)載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產(chǎn)生一個畸變電壓降，而合成的畸變電壓波形加到與此同一線路上所接的其它負(fù)載，引起諧波電流在其上流過。因此，減少諧波危害的措施也可從加大電纜截面積，減少回路的阻抗方式來實(shí)現(xiàn)。可以將線性負(fù)載與非線性負(fù)載從同一電源接口點(diǎn)(PCC)就開始分別的電路供電，這樣可以使由非線性負(fù)載產(chǎn)生的畸變電壓不會傳導(dǎo)到線性負(fù)載上去。這是目前治理諧波問題較為理想的解決方案。
7）電路的多重化、多元化：逆變單元的并聯(lián)多元化是采用2個或多個逆變單元并聯(lián)，通過波形移位疊加，抵消諧波分量；整流電路的多重化是采用12脈波、18脈波、24脈波整流，可降低諧波成分；功率單元的串聯(lián)多重化是采用多脈波（如30脈波的串聯(lián)），功率單元多重化線路也可降低諧波成分。此外還有新的變頻調(diào)制方法，如電壓矢量的變形調(diào)制。
8）變頻器的控制方式的完善：隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)發(fā)展，變頻器控制方式有了以下發(fā)展：數(shù)字控制變頻器，變頻器數(shù)字化采用單片機(jī)MCS51或80C196MC等,輔助以 SLE4520或EPLD液晶顯示器等來實(shí)現(xiàn)更加完善的控制性能；多種控制方式結(jié)合，單一的控制方式有著各自的缺點(diǎn)，如果將這些單一控制方式結(jié)合起來，可以取長補(bǔ)短，從而達(dá)到降低諧波提高效率的功效。
9）使用理想化的無諧波污染的綠色變頻器：綠色變頻器的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負(fù)載使都能使功率因數(shù)為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出功率。變頻器內(nèi)置的交流電抗器，它能很好的抑制諧波，同時可以保護(hù)整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響，實(shí)踐表明，不帶電抗器的諧波電流明顯高于帶電抗器產(chǎn)生的諧波電流。為了減少諧波污染造成的干擾，在變頻器的輸出回路安裝噪聲濾波器。并且在變頻器答應(yīng)的情況，降低變頻器的載波頻率。另外，在大功率變頻器中，通常使用12脈沖或18脈沖整流，這樣在電源中，通過消除比較低次諧波來減少諧波含量。
綜上所述，可以了解變頻器以及變頻器諧波產(chǎn)生的機(jī)理，變頻器諧波以及其危害性，以及采用變頻器隔離、接地或采用無源濾波器、有源濾波器、加設(shè)無功補(bǔ)償裝置以及綠色變頻器等方法。隨著電力電子技術(shù)以及微電子技術(shù)等技術(shù)的飛速發(fā)展，在治理諧波問題上將會邁上一個新的臺階，將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在比較小范圍之內(nèi)以達(dá)到抑制電網(wǎng)污染，提高電能質(zhì)量。