变频器输入侧产生谐波的机理

    不限于通用变频器，晶闸管供电的直流电动机、无换向器电动机等凡是在电源侧有整流电路的，都将产生因其非线性引起的谐波。

    从这些设备流出的谐波电流因整流器电路的种类及其运转状态、系统条件等不同各有其差别，这里就使用最多的三相桥式整流电路来说明。

    图11-14    三相桥式电路及其交流侧的波形

    三相桥式整流电路及交流输入电流波形示于图11-14电流波形为矩形波，通常含有6n±1（n=1，2，3，…）次谐波。如果电源侧电抗充分小、电流上升期间的角度u可以忽略，那么n次谐波电流为基波电流的I/n，u称为换流重叠角，与交流电路的电抗和直流电路电流等有关，可用下式给出：

式中  α-延迟角(°)；

   Id -直流回路电流(A)；

   Xs-每相的电流侧电抗(Ω)；

   Edo-空载不控直流电压平均值(V)；

   Us-电源线电压(V)。

以电源侧电抗X为参量换流重叠角u与延迟角α的关系示于图11-15。

    图11-15    α与u的关系

    将图11-14的交流电流波形进行傅里叶分析，求出各次谐波电流有效值如图11-16所示。

    以上是在理想的条件下求出的数值，实际上还产生其他次数的谐波，有若干差异。这是由于：直流电流的脉动（因为直流侧电感为有限值）；交流电压相间不平衡；延迟角相间差异；换流电抗相间差异；换相电抗相间差异所造成的。但在实用上以理想状态下的值进行研究是足够的。

    晶体管变频器的主电路示于图11-17。整流器部分由二极管整流桥构成。采用二极管桥时上述延迟角α总是为零。这里就以通用变频器200kVA晶体管变频器使用在132kW笼型电动机运转的实例说明。另外，笼型电动机为二次方减转矩负载，频率越低电流值越小。

    图11-16    三相桥式整流器的谐波

   a)5次谐波b）7次谐波c）11次谐波d）3次谐波

   e) 17次谐波f）19次谐波g）23次谐波h）25次谐波

    图11-17    晶体管变频器的主电路构成

    变频器输入交流电流波形如图11-18所示，交流输入电压波形如图11-19所示。另外将以额定速度运转中的电流波形进行谐波分析，其结果如图11-20所示。由此显出含有6n±1次谐波分量。变频器输出频率变化时的变频器输入电流的谐波分析结果示于表11-3。本例在低频输出时，电源电流中含有若干非理论上的3次谐波分量。

    图11-18    变频器输入电流波形

    图11-19    变频器输入电压波形

    上述是在直流侧装有电抗器的晶体管变频器。对于变频器在不同情况如控制方式( PWM、PAM)及改善功率因数用电抗器的有无、负载侧的输出频率、输出电流的大小等产生的谐波电流将是不同的。

    在直流侧不装电抗器的变频器传动电机时，其输入电流波形如图11-21所示。风机、泵等二次方减转矩负载，频率越下降电流就越小。所以对于这种场合，变频器输入谐波电流根据所使用的最高频率（50Hz或60Hz）时的负载条件求出是适当的。即，在60Hz、100%负载下将变频器产生的谐波电流含有率制成表（见表11-4）。实际上n次谐波电流，可根据表11-5中额定输出功率时所需要的电源设备容量Qs( kVA)求出。

    图11-20    输入电流谐波的实测值

    表11-3    电源侧谐波电流的数据例    （单位：A）

   (11-3)

    式中 In-n次谐波电流(A)；

   Us-电源线电压(V)；

   Kn-n次谐波电流含有率(%)。

    图11-21    变频器输入电流波形

   a)输入侧无电抗器b）输入侧有电抗器

    表11-4    电源侧谐波电流含有率的数据例

    表11-5    变频器的电源设备容量例