变频器高次谐波对电网电源的影响及其对策

    前面艾特贸易网已经介绍过，电压型变频器的输入电路一侧是将交流电源转换为直流电源的整流电路。由于整流电路的直流电压是在被平滑电容平滑之后输出给后续电路的，电源供给变频器的电流实际上是平滑电容的充电电流。图7-6给出了接于三相电源的通用变频器的输入电压和输入电流的波形。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7-6    变频器输入电压和输入电流    由于电流和电压的波形畸变，将对接于同一电源的设备带来过热、噪声或振动等不良影响。为了消除这些不良影响，可以采取以下措施。    (1)插入电抗器。为了改善变频器输入电流的波形，可以采取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的方法。关于电抗器的使用，请参考第5章的有关内容。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。    一般来说，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的额定电压2%~5%的范围之内。而当插入电压降在5%的电抗器时，可以使高次谐波的含有率得到30%的改善。    (2)插入滤波器。滤波器分为LC滤波器和有源滤波器两种。LC滤波器是被动滤波器，它由电抗和电容组成对高次谐波的共振电路，从而达到吸收高次谐波的目的。与此相对应，有源滤波器的工作原理则是通过对电流中的高次谐波成分进行检测，并根据检测结果输入与高次谐波成分具有相反相位的电流，以此达到减少高次谐波的目的。为了能够对具有不同相位的高次谐波电流进行补偿，有源滤波器也必须能够产生具有任意相位的电流，因此也往往采用PWM控制方式。而用于有源滤波器的半导体开关器件也包括GTO、MOSFET、功率晶体管、TGBT等。图7-7给出了LC滤波器和有源滤波器的基本构成。
    图7-7    滤波器的基本构成    (a)-LC滤波器；(b)-有源滤波器    (3)采用PWM控制方式的整流电路。PWM控制方式的整流电路是以节能为目的而开发的整流电路。它可以将电梯等以较高的频度工作在电力回馈区域的机械设备回馈给变频器的能量重新馈还给电网，从而达到节能的目的。    PWM控制方式的整流电路的电路构成与PWM控制方式的逆变电路的电路构成相同，并可以通过适当地控制使变频器的输入电流波形成为正弦波，如图7-8所示。因此，这种整流电路带来的高次谐波成分非常小。但是，这种整流电路的一个缺点是电路的结构比较复杂，并且成本较高。
    图7-8    PWM控制方式整流电路的输入波形    PWM控制方式的整流电路中使用的半导体开关器件与有源滤波器相同。图7-9给出了以IGBT为开关器件，并采用了PWM控制方式的整流电路的变频器的基本构成。