高压变频器输入侧谐波产生的实例

    近年来，高压变频的应用越来越广泛，由于高压变频器相对来说容量较大，占整个电网容量的比重较为显著，所以高压变频器对电网的谐波污染问题已经不容忽视。许多场合由于采用了输入谐波电流较高的变频器，产生了严重的谐波污染问题。从本质而言，任何高压变频器或多或少会产生输入谐波电流，只是程度不同而已。

    图11-22中是一种常见的晶闸管整流电路结构，主要用于各种电流源型变频器。这种整流电路结构简单，但是输入电流中含有很高的谐波分量，输入电流的5次谐波可达20%，7次谐波可达12%（见图11-24）白条所示。由于晶闸管的快速换相，会产生一定的谐波，可达35次以上。这种整流电路总的谐波电流失真约为30%。

    图11-22    6脉冲晶闸管整流电路

    在图11-23中，整流器由两级晶闸管整流桥串联而成，分别由输入变压器的两组二次绕组（星形和三角形，互差30°电角度）供电。这种整流电路的优点是把症流电路的脉冲数由6脉波提高到12脉波，带来的好处是大大降低了5次和7次谐波电流。因为对晶闸管整流电路而言，谐波电流的成分近似为基波电流的1/h倍，h为谐波次数，h=np±1，其中n是自然数，P为脉波数。12脉波整流结构总谐波电流失真约为10%左右（图11-24)黑条所示。虽然12脉波整流电路的谐波电流比6脉波结构大大下降，但也不能达到IEEE519-1992标准规定的在电网谐波电流小于20倍负载电流，电流失真小于50%的要求。采用12脉波结构，变压器也可承受变频器产生的供模电压中的绝大部分，使电动机绝缘不受共模电压的影响。当然，变压器也要设计成为能够承受一次和二次的谐波电流。

    图11-23    12脉冲品闸管整流电路

    图11-24    晶闸管整流电路的输入谐波电流

    图11-25    显示了另一种整流电路结构，图中整流电路由两组6脉波的二极管整流电路串联而成，主要用在电压源型变频器中。在整流桥和滤波电容之间可以串联直流电抗器，这样可以减少输入电流的谐波分量，然而，加了直流电抗器后也会降低变频器对电网浪涌电压的吸收效果。另一方面，由于整流后直流电压基本保持恒定，所以输出侧逆变器必须采用PWM控制。二极管整流电路的输入谐波电流取决于电网侧阻抗和直流电抗器的大小。由于采用二极管整流电流，换相在对应线电压最小时发生，导致di/dt非常小，尤其当电源侧阴抗较大时，换相更加缓慢，使谐波电流相对于晶闸管电流源型整流电路大大降低。图11-26显示了在5%阻抗源的情况下，二极管整流电路的输入谐波电流。为了满足IEEE519-1992对应的5%的谐波电流失真的要求，6脉波结构需要设置谐波滤波器。由于二极管和整流电路的谐波分量随着谐波次数的增加急剧下降，所以采用12脉波整流结构后，二极管整流电路的谐波分量会大大降低，可接近7%左右。

    图11-25    12脉波二极管整流电路

    图11-26    二极管整流电路输入谐波电流

    晶闸管直流整流电路和二极管整流电路除了6脉波结构和12脉波结构外，还可以采取更高脉波数的结构，如18脉波、24脉波、30脉波等，输入谐波也会随着降低，但会导致系统结构复杂，成本增加，一般较少采用。

    目前，大多数PWM电压源型变频器都采用二极管整流电路，如果整流电路采取全控型电力电子器件的PWM（高压时一般采用三电平PWM结构）控制，其结构与逆变部分基本对称，则可以做到输入电流基本为正弦波，谐波成分很低，功率因数可调，且能量可双向流动。当然系统的复杂和成本也大大增加了。这种双PWM结构的三电平高压变频器预计在轧机，卷场机等要求四象限运行和较高动态性能的场合，会取代传统的交交变频器。

    单元串联多电平PWM电压源型变频器采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联的方式，所以不存在器件均压问题。变压器的15组二次绕组，采用延边三角形联结，分为5个不同的相位组，互差12°电角度，形成30脉波的二极管整流桥结构，所以理论上29次以下的谐波电流都可以消除，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真可低于1%(见图11-27)，不加任何谐波滤波器就可以满足供电部门对电压和电流谐波失真的要求。

    图11-27    单元串联多电平变频器输入波形