3. Altivar变频器谐波产生机理

要治理Altivar变频器的谐波，先要弄清谐波究竟在变频器的哪一级产生、以什么频率出现、受哪些参数影响。Altivar系列采用“交—直—交”电压型拓扑，谐波源并非单一环节，而是分布在整流桥、直流母线和PWM逆变三个位置，各自贡献不同频段、不同性质的谐波。理解这三者的分工，才能为后续滤波器选型、多脉波整流改造和发射模型建立提供依据。

一、整流桥：低频特征谐波的主要来源

三相全控或二极管整流桥是Altivar最主要的低频谐波源。以最常见的三相六脉波二极管整流为例，交流侧电流并非正弦，而是接近120°方波，其谐波次数由整流脉波数决定：

h = k·p ± 1，其中p为脉波数，k为正整数。

六脉波整流（p=6）时，特征谐波为5、7、11、13、17、19次，即6k±1次。各次谐波电流幅值近似与次数成反比，5次约为基波的20%～25%，7次约12%～15%，11次约7%～9%。这是六脉波变频器THDi通常在35%～45%的根本原因。若采用十二脉波整流（两组六脉波桥移相30°），最低次谐波升至11、13次，5、7次被抵消，THDi可降至10%左右。

整流桥谐波还受直流母线电抗器和交流进线电抗器影响。直流母线电抗器（DC choke）使电流波形更平缓，可把THDi从约45%降到约35%；交流进线电抗器（3%～5%阻抗）同样抑制电流突变。因此同一台Altivar，是否配置电抗器，其谐波发射水平差异明显，建模时必须把电抗器作为参数纳入。

二、直流母线：谐波耦合与二次纹波的通道

直流母线本身不“产生”特征谐波，但它是整流侧与逆变侧之间的耦合通道，承担两个作用。其一，母线电容与整流桥构成非线性负载，使整流电流呈脉冲状，加剧交流侧谐波；其二，母线电压上叠加有6倍工频（300Hz）的纹波，该纹波会通过逆变环节调制到输出侧，形成输出谐波边带。

母线电容容量、母线电抗器电感量共同决定母线电压纹波幅值和整流电流的导通角。电容越大、电抗越大，母线电压越平稳，交流侧电流脉冲越窄但峰值越高，谐波频谱分布随之改变。因此直流母线参数是连接“输入谐波”与“输出谐波”的中间变量，在建立发射模型时不能忽略。

三、PWM逆变环节：高频谐波与边带谐波的来源

逆变环节以IGBT按载波频率（Altivar常见2～16kHz）进行PWM调制，输出为一系列等幅脉冲。其谐波特性与整流侧完全不同：

• 载波频率及其倍频附近出现高频谐波群，频率为fc、2fc、3fc……；
• 以调制波频率fs为对称，形成fc±2fs、fc±4fs等边带谐波；
• 开关频率越高，高频谐波越向高频推移，越容易被电机绕组和电缆衰减，但开关损耗增大；
• 低载波频率下，低次边带谐波更靠近基波，可能引起电机转矩脉动和噪声。

逆变侧谐波主要影响电机侧电能质量、轴电流和电磁噪声，一般不会大量返送到电网，但会通过母线耦合对输入侧产生轻微影响。因此工程上通常把“电网侧谐波治理”聚焦在整流桥，而把逆变侧谐波治理放在输出电抗器、dv/dt滤波器和电机电缆屏蔽上。

四、Altivar不同系列的谐波发射模型

不同系列因整流方式、是否内置电抗器、功率等级不同，谐波发射水平差异较大。下表给出典型系列的谐波发射特征，用于建立简化模型时的参数取值参考（数据为工程典型值，非实测值）：

建立发射模型时，可按“谐波电流源+阻抗”等效：把整流桥视为注入电网的谐波电流源Ih，其幅值按Ih=I1/h乘以电抗器衰减系数；电网侧用短路容量和阻抗构成系统阻抗，二者并联求得分流，得到实际注入电网的谐波电流。对多台变频器，还需考虑谐波电流的相位叠加，同型号同负载时5、7次可能部分抵消，不同负载率时则可能叠加放大。

五、建模时的关键参数与判断依据

把上述机理落到可计算的发射模型，需要采集以下参数：电网短路容量Sk（决定系统阻抗）、变频器额定电流I1、整流脉波数p、是否配置直流/交流电抗器及其阻抗百分比、载波频率fc。以一台ATV600、380V、110kW、六脉波带直流电抗器的变频器为例，若I1≈210A，按Ih=I1/h估算，5次谐波电流约42A，7次约30A，11次约19A；再乘以电抗器衰减系数（约0.7～0.8），得到实际注入值。若电网短路容量为10MVA，系统阻抗较小，谐波电流大部分流入电网，THDi约32%，与表中典型值一致。

需要强调的是，整流桥贡献的是注入电网的低频特征谐波，是电网侧治理的主要对象；直流母线是耦合通道，其电抗器和电容参数会改变谐波幅值；PWM逆变贡献的是输出侧高频谐波，主要影响电机和电缆。建立Altivar谐波发射模型时，应按“整流桥谐波电流源—系统阻抗分流—电抗器衰减”的主线计算电网侧谐波，再单独评估逆变侧高频分量，二者不可混为一谈。