一个普通的变频驱动器(VFD)在其输入和输出都产生谐波。在电机(输出)端，VFD模拟带有脉冲宽度调制(PWM)信号的正弦波。两个信号之间的差异如图1所示。PWM信号介于方波和纯正弦波之间。PWM信号的平方特性是由集成栅双极晶体管(IGBT)的有限开关频率造成的，IGBT通常用于普通vfd。谐波是PWM信号不可避免和不幸的副产品。
在VFD的网格(输入)端，情况类似。在普通vfd中使用的二极管桥结构在电压波形的峰值处非线性地吸取电流。由此产生的电流波形(图2)含有大量谐波，这些谐波会传播回配电网。对于一个普通的6脉冲VFD，在VFD的电网侧和电机侧产生80%范围内的总谐波电流失真(THDi)并不罕见。
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根据定义，谐波发生在基频的整数倍处。例如，一个60赫兹(Hz)的系统会在第2秒经历120hz、第3秒经历180hz、第4秒经历240hz、第5秒经历300hz，等等。每个谐波可以进一步分为正序、负序和零序分量。正序谐波(第4、第7、第10、第13、第19等)与基频具有相同的旋转矢量。顾名思义，负序谐波(第二、第五、第八、第十一、第十四等)与基波旋转方向相反。零序列分量(第三、第六、第九、第十二、第十五等)没有旋转向量。
谐波的影响
普通VFD的电机输出包含谐波这一事实意味着电机中的总均方根(RMS)电流显著高于基波电流。这种过剩的电流表现为增加铜和核心(铁)损失，这反过来又增加了电机本身的热量。从短期来看，过多的热量会导致热阻跳闸，直接阻碍作业。长此以往，多余的热量会降低电机的绝缘性能，导致早期故障。
对谐波的关注并不局限于过多的均方根电流。由谐波感应涡流产生的高电压变化率(dv/dt)会在单个电机绕组之间以及轴承和轴承滚道之间引起电弧。前者会降低电机绝缘，而后者会导致轴承点蚀和润滑剂击穿。个别谐波的相对大小可以对电机性能和寿命产生影响。如上所述，负序谐波在与基波相反的方向上运行，通过大涡流产生转子加热的潜力。
此外，相邻的正负谐波电流之间的相互作用会产生脉动转矩和机械振荡，降低运行效率。与电机类似，在配电系统中存在谐波意味着导体必须在设施内超大，需要额外的资本支出，并限制后续扩展和重新配置的选择。连接到电网的其他设备可能会受到过热、过早磨损和早期故障的影响。
具体情况取决于设备的类型。一些例子包括变压器内的过热，照明负载上的可见闪烁或敏感负载的损坏。电力公司敏锐地意识到过多的谐波如何对他们的配电网产生负面影响。大多数要求用户遵守协会规定的限制
电气和电子工程师(IEEE) 519，要求在公共耦合点THDi不能超过5%。那些不遵守规定的人将受到经济处罚。
谐波缓解
鉴于与高THDi相关的许多问题，制造商已经开发出减轻其对电机和电网影响的方法。然而，所有这些缓解措施的代价是增加的资本投资、降低的系统效率、更大的物理足迹和持续的维护成本。
例如，安装在VFD和电机之间的正弦滤波器将减少(但不能消除)谐波，有助于减轻上述讨论的损害类型。类似地，在VFD和配电网之间安装线路电抗器或无源滤波器将减少释放到电网中的谐波含量。
不幸的是，线路反应器只能将THDi从80%降低到40%，这不足以满足IEEE 519规定的5%的要求。一个无源谐波滤波器可以满足IEEE 519的限制，只要它是适当的调谐和良好的维护，但同样是以空间、时间、系统效率和持续维护为代价的。
消除，而不是减轻
一般来说，最好从源头上消除问题，而不是事后试图减轻问题。在输入和输出上都具有低THDi的VFD消除了普通驱动器所需的昂贵和复杂的缓解措施的需要。
最近，一些驱动器制造商已经开始利用新一代宽带隙(WBG)半导体技术，即碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)来应对这一挑战。WBG金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)促进了开关速率的显著提高，超过了普通igbt。部署在主动前端(AFE)架构中，该类型驱动器输入端的THDi满足IEEE 519规定的5%限制。
同样，电机侧的真正正弦波输出减少了电机磨损。基于wbg的驱动器的其他好处包括提高驱动器和系统效率，更小的安装尺寸，更长的电机寿命和更低成本的通用电机，无需过滤器维护，易于缩放，更低的整体安装成本和降低系统复杂性。