1 前言
近年来，不仅一般企业用空调设备（HVAC、采暖、通风、空调），即使建筑楼房中的电梯之类，作为可变速节能的自动操作设备，也在不断推广变频器的应用。因此，由谐波电流引发的问题愈益受到重视。美国在应用变频技术的新规则中，首先强调要符合作为抑制谐波导则的IEEE Std. 519-1992标准。对用户、电力公司来说，由非线性负荷（变频器、计算机用电源、UPS等）导致电力品质问题的增多，十分引人关注。这主要由于输入二极管和可控硅等非线性元件组成的整流电路，以及直流滤波的电容器，使得输入电路中高次谐波成分增多。特别是变频器，不仅一般工业用途，民用的楼房建筑，医院、机场的空调设备等，为了节能减排，大多采用了变频技术。电力公司期望获得高质量的电能，不能忽视谐波对电源系统的影响；而对用户而言，建筑、工厂的使用设备，从选定机器的最佳容量和提高综合功率因数的要求，均应高度重视对谐波的抑制。在美国，作为抑制电源揩波（电压、电流）的导则，推荐采用IEEE Std. 519-1992标准。考虑到这一标准的前提下，在谐波电流畸变要求严格的空调设备中，对抑制谐波实例所取得的效果介绍如下。
2 电源谐波(电压、电流)抑制的导则 IEEE Std. 519-1992
如图1所示，变频器由二极管整流电路、直流滤波电容器、变频器输出电路所组成。直流滤波电容器向电动机负载提供功率，当直流母线电压低于输入电压时，通过整流器对滤波电容器充电。输入电流如图1所示，变成不连续的脉冲波形，在滤波电容器的充电过程中，电源电压产生畸变，尤其在电源阻抗大（电源容量小）的场合将成为台阶形，该电源电压的失真与输入电流的波形失真不同，凡接至这同一电源系统的所有设备均受其影响。因而，最初制定电源谐波抑制导则IEEE Std.519时，将其作为电源电压畸变抑制的标准是合理的。电压波形畸变的允许值如表1所列。一般电源系统为5%；医院、机场等有易受电源畸变影响的机器，其供电的电源为3%；与系统隔离的独立电源则为10%。
IEEE Std. 519-1992中，按照连接各个变频器（非线性负荷）的电源强度，也即按照短路电流比(ISC/IL)，规定了各种高次谐波次数下容许的谐波电流畸变程度（相对于基波的比例），如表2所列。将这些电压畸变、电流畸变的测定点，定义为公共耦合点(PCC)，从电力公司方面看，向建筑楼房、工厂等用户设备的供电点，也就是用户的受电设备即为PCC（广义的PCC）。在IEEE Std. 519-1992中，PCC也被定义为“设备内的非线性负荷与其它负荷之分岐点”，把每个变频器非线性负荷的输入点作为PCC也能适用。这就是说，在每个变频器的输入点，如满足IEEE Std. 519-1992要求的电流畸变容许程度，则至交流电源系统的连接点（广义的PCC）的电流畸变度，也可认为是满足要求的。但是，最终还应按照包含其它负荷的短路电流比，对电流畸变的容许值(%)进行评估。
表 2  IEEE Std. 519-1992中一般电力系统的
电流畸变容许值(120V~69kV)
短路电流比ISC/IL 各高次谐波次数(h)容许畸变度
（相对基波IL的比例(%)） TDD
 h<11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h 
<20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0
20<50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0
50<100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0
100<1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0
>1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0

这里，关于IEEE Std. 519所考虑的几点（PCC、短路电流比、容许电流畸变度），以图2用电设备中的1#变频器作为例子予以说明。条件是：用电变压器—4.16kV/480V，1500kVA(4%Z)；1#变频器—75kW；所需的最大负荷电流—124A（480V，额定电流15.6A）；在此条件下PCC2中的短路电流(ISC)：

短路电流比：(ISC/IL)=45.1kA/124A=363.7
PCC2中容许的电流畸变(TDD)：按表2(ISC/IL=100<1000)，要求的TDD=15.0%，PCC工厂容许的电流畸变(%)，根据包含其它负荷（变频器、电动机等）的短路电流比进行评价。
注：ISC—PCC上的最大短路电流；IL—PCC上要求的最大负荷电流（基波）；TDD—对应于所需最大负荷电流的高次谐波电流畸变度（计算值，%）。
3 一般的高次谐波抑制方法
作为高次谐波的抑制方法，有由L、R等无源元件构成的无源电路方法和由半导体元件等有源元件构成的有源电路方法，以及由两者组合而成的方法，但对比有源电路方法，无源电路方法可用已有的无源部件组成，可靠性较高，价格低，能适应市场需求，因此应用比较普及。
3.1 利用交流(AC)电抗器，直流(DC)电抗器的方法
一般的高次谐波抑制方法，如图3所示，普遍采用追加AC电抗器和DC电抗器的方法。总的输入电流形成连续的波形，减少了高次谐波电流成分。图4(a)所示，为增设AC电抗器或DC电抗器以后，输入电流畸变（失真）的改善效果（模拟结果）。当DC电抗器的电感约为AC电抗器电感的1.5~2.0倍时，二者输入电流畸变将达到相同的改善效果。
此外，追加AC电抗器的情况下，作为交流阻抗的串联输入会产生电压降，直流母线电压降低，但追加DC电抗器的特点是：平均直流母线电压不会下降。图4(b)所示为对应于平均母线电压降低的模拟结果。
3.2 追加谐振型 LC 滤波器
利用无源元件的谐振型LC滤波器的实例如图5所示，是为抑制5次谐波，已进行调正的分流型LC滤波器。在电源侧，为抑制来自电源系统其它设备的5次谐波电流流入；而在变频器的输入侧，也为了抑制高次谐波的产生故在LC滤波器的两边各接5%的AC电抗器是合适的。
由无源元件组成的谐振型LC滤波器，因基本上是空载电流的流入会导致无用的电力损耗发生和效率的降低，同时，因空载电流，变频器输入电压的升高，在这种场合下，并考虑引起电源系统共振现象的可能性等因素，因此，在应用此法时必须进行充分的事前论证和审核。
3.3 多线圈绝缘型变压器的多脉冲整流方式
变频器的输入部分，一般是由二极管组成的全波整流电路，因二极管导通的间隔次数（脉冲数）为6，故为6脉冲整流。将多个三相全波（6脉冲）整流器多重并联连接，通过多线圈绝缘型变压器，对各个整流器输入的电压相位进行适当的移位，由此，构成了多脉冲的整流。
q脉冲整流的情况下，产生高次谐波的次数为h：
h=K·q±1（K=1， 2， 3…  q=6， 12， 18…）           (1)
脉冲数q如果大，高次谐波次数h会趋向更大的值。结果，总的谐波失真(THD)减小。下面，对原来较为熟悉的应用多线圈绝缘型变压器的12脉冲整流、18脉冲整流予以介绍。
3.3.1 12 脉冲整流(3线圈绝缘型变压器方式)
如图6所示，将3线圈绝缘型变压器和6脉冲整流器两者并列连接，式(1)中设q=12，故产生高次谐波的次数h为：11，13，23，25，35，37…。
具有30°电角度相位差的变压器，由每个二次线圈的5次、7次谐波形成的磁通理论上是相等的，由于反方向的抵消，一次线圈内就不会产生5次、7次的高次谐波。
这一方式中，因采用了绝缘型变压器，故可能实现高压(3.2kV， 4.16kV)/低压480V的电压级变换。而且，还可望达到由变压器漏电感导致的谐波抑制效果，以及与输入交流电源绝缘导致的EMI（电磁干扰）抑制效果。
3.3.2 18 脉冲整流(4 线圈绝缘型变压器方式)
短路电流比(ISC/IL)减小时，为满足IEEE Std. 519-1992对高次谐波畸变度的要求，12脉冲整流则显不足，需要能降低更高次谐波的18脉冲整流。18脉冲整流情况下，式(1)中令q=18，产生高次谐波的次数h=17，19，35，37…。
由4线圈绝缘型变压器构成的18脉冲整流如图7所示。这一方式的缺点是移相用4线圈绝缘型变压器的尺寸大，且价格高。
4 实用的多脉冲整流方式
如上所述，原采用多相绝缘型变压器的多脉冲整流方式，其变压器的尺寸大、成本高。这里，将既具有与此相同的高次谐波抑制效果，又能实现合理的尺寸、价格的整流方式，应用于严格要求谐波电流畸变度的医院，机场等的实例进行介绍。
4.1 混合式 12 脉冲整流方式
图8所示为混合式12脉冲整流结构，是在图6由3线圈绝缘型变压器组成的12脉冲整流方式基础上研制而成的。因图6变压器的其中一个二次线圈相对一次线圈无相位差，故可简化成图8的绝缘型变压器；图8所示的一个t脉冲整流电路，通过绝缘型变压器的漏电感及匹配的电抗器，即使直接连到交流电源，其效果是相同的，故称这一方式为混合式12脉冲整流。
该方式不能对应于电压等级的变换，但移相用（Δ/Y接）变压器及并联电抗器的容量，取各自额定输出容量的一半即可，比较原来的三线圈绝缘型变压器结构，能实现更小型化和低成本。而且采用这种保持相位差的电流在一次侧结合的方式，具有效率高的优点。此外，变压器漏电感与并联电抗器的电抗在全部运转条行下不匹配时，则增加输入交流电抗器能进一步改善。图9所示为这一方式下的各种电流波形及高次谐波含有率的测定结果。
4.2 单线圈变压器的18脉冲整流方式
相应于上述4线圈的绝缘型变压器方式，在线圈上想办法，设计出保持电压相位差，具有3个输出的单线圈变压器，并由此组成18脉冲的整流结构，如图10所示。这一单线圈变压器的绕组结构复杂，铁心利用率低。但这是能实现总谐波失真(THD)5~7%且成本合适的方式，而且在本方式中，输入电流的THD能在5%以下，增设的输入AC电抗器比重不大（7%程度），对谐波电流畸变要求严格（8%以下）的应用场合，特别是医院、机场的空调设备(HVAC)使用中，已被广泛认可。图11为这一方式下的