设备级谐波滤波器

中国航天科工集团第二研究院706所吕典

电力谐波是现代化工业的主要副产品之一，随着工业现代化程度提高，谐波的问题日益严重。这主要是现代化工业的用电方式发生了巨大的变化。传统工业的主要电力负荷是电动机和电阻加热设备，这些设备是线性负载，不会产生谐波电流。而现代化工业的主要电力负荷是电流变换器，包括变频器、中频炉、直流电机驱动器等，这些负荷都是非线性负载，工作时产生严重的谐波。

另一方面，大部分配电系统，包括变压器、开关柜、继电保护器、无功补偿柜等，都是按照线性负荷设计的。当实际负荷为非线性负荷时，对配电系统造成严重的危害，轻则导致系统过热、不稳定，重则损坏配电设备。

解决这个问题的最好方法就是在非线性设备的电源输入端安装谐波滤波器，将非线性负荷转变为线性负荷，谐波导致的各种问题便迎刃而解。这种安装在设备的电源输入端的谐波滤波器就是设备级谐波滤波器。

设备级谐波滤波器的特殊要求

设备级谐波滤波器与母线级谐波滤波器有不同的要求。设备级谐波滤波器与所配的设备一同构成一个完整的系统，谐波滤波器的作用是保证这个系统的谐波电流发射满足特定的标准，例如，GB17625标准。因此，设备级谐波滤波器要满足一下四个方面的要求：

1)滤波效果确定：滤波器与特定设备组合起来后，谐波电流发射必须是确定的，与系统的参数无

关，这样才能确保设备安装了滤波器后，满足特定的要求；

2)不吸收上游谐波电流：配装了滤波器的设备可以应用在任何电网环境中，有些电网会有较大的

谐波电压，设备级的谐波滤波器不允许吸收来自上游的谐波电流，否则，当上游谐波较大时，会导致滤波器过载；

3)不与系统发生不良作用：配装了谐波滤波器的设备可能在任何系统中使用，而任何情况下都不

允许与系统之间发生不良的相互作用，例如与系统发生谐振，放大谐波电流。

4)不会导致超前的功率因数：设备配装了滤波器，功率因数要达到0.98以上，不允许出现过大的

感性无功功率和容性无功功率。

常见的设备级谐波滤波器

最简单的设备级谐波滤波器就是电抗器，如图1所示。电抗器就是一个电感器件，串联在设备的电源线上。电抗器的电感量用电抗率表示，电抗率是电抗器在流过额定电流时，电抗器上的电压降与额定电压的比值。例如，对于380V（有效值）供电系统，一台额定工作电流100A的电抗器，如果它的电抗率为5%，则表示：电抗器上流过100A电流时，电压降为380×0.05 = 19V（有效值）。

图6-14 电抗器实物电抗器能够减小设备的谐波电流发射，如图2所示，滤除谐波的效果与电抗器的电抗率有关，电抗率越大，滤除谐波的效果越好，一般电抗器的电抗率不要超过5%，否则会对变频器产生不良的影响。

15kW变频器，没有输入电抗器的电流波形15kW变频器，有输入电抗器的电流波形

图2 电抗器滤除谐波的效果

从图2可知，用电抗器衰减谐波电流虽然简单，但是效果不够理想，通常使用的电抗器为3~5%，这时总谐波电流畸变率THID不会小于35%。不能使用过大的电抗器，过大的电压降会导致设备工作异常。使用电抗器不能满足任何一个标准对谐波的要求。

有源谐波滤波器虽然能够满足设备级滤波器的各种要求，但是有源滤波器本身十分复杂，其可靠性可能低于非线性设备本身，价格可能高于非线性设备本身，不适合于设备级滤波的目的。

随着变频器的迅速普及，变频器的谐波问题日益严重，这促使很多厂商致力于开发设备级的高性能无源谐波滤波器，所谓高性能滤波器是要满足各类电磁兼容标准和谐波标准的要求。但是直到最近几年，才开始有产品问世，其滤波性能已经可以达到保证THID<5%的水平，为变频器的普及提供了电能质量的保证。

航天科工集团第二研究院706所制造的HTHF和HUHF谐波滤波器是参照各类谐波标准开发的高性能谐波滤波器，如图3所示。这种滤波器满足设备级滤波器的各种要求。在滤波性能上，分为THID<5%，THID<8%

，THID<12%，等三种。滤波效果越高，成本越高，体积越大。

图3 HTHF（HUHF）设备级高性能谐波滤波器HTHF（HUHF）谐波滤波器是一种宽带低通滤波器，它能够滤除6脉整流电路产生各种特征谐波，确保变频器等设备满足各类谐波标准的要求。HTHF谐波滤波器与其他滤波器的比较见表1。表1 HTHF谐波滤波器与其他谐波控制方法的比较

滤波器 吸收上游

谐波电流 滤波效果 与系统发

生谐振

可靠性 发出容性无

功功率

价格

电抗器否THID<35%否高无低

传统无源滤

波器吸收不定

THID<25%

可能较高大较高

有源滤波器否THID<5%否中无很高HTHF 否THID<5%否高很小中等

HTHF谐波滤波器可以用于任何6脉整流电路为输入的设备。与二极管直流电路的设备配合时，确保满足GB17625、GB14549、IEEE519等标准的要求。但是，当输入端为SCR相控整流电路时，需要向供货商明确，采用不同的电路参数，否则会对设备产生不良影响。另外，当设备为SCR整流电路时，滤波效果仅能保证THID<15%。如果有更高的要求，可以使用有源滤波器。如果为了降低成本，可以将无源滤波器与有源滤波器结合起来使用，可取得更高的性能价格比。

HTHF作为设备级的谐波滤波器，在选用时，仅需要知道设备工作电压、额定功率，就可以选择配套的滤波器。安装后，不需要任何现场调试就可以投入运行。