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变频器谐波的那些事儿,你知道多少?

2016年08月22日 11:45:58 中国传动网

日前,管道公司油气管道关键设备国产化课题组,在漠大线增输工程对国产化变频器进行谐波测试。结果表明,国产化变频器各项参数符合国家标准要求;继2500千瓦级输油泵机组后,又一油气管道关键国产化设备成功通过验收。这标志着,与西门子变频器对比,国产化变频器谐波达到国际先进水平。

那么,什么究竟是谐波?

谐波定义示意图

谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数,根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理证实,任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波,每个谐波都具有不同的频率,幅度与相角。谐波可以I区分为偶次与奇次性,第3、5、7次编号的为奇次谐波,而2、14,6、8等为偶次谐波,如基波为50Hz时,2次谐波为lOOHz,3次谐波则是150Hz。一般地讲,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中,由于对称关系,偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在。对于三相整流负载,出现的谐波电流是6n±1次谐波,例如5、7,11、13、17、19等,变频器主要产生5、7次谐波。

变频器是工业调速传动领域中应用较为广泛的设备,由于变频器逆变电路的开关特性,对其供电电源形成了一个典型的非线性负载。变频器在现场通常与其它设备同时运行,例如计算机和传感器,这些设备经常安装得很近,这样可能会造成相互影响。因此,以变频器为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源之一,电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术自身发展的重大障碍。

常用变频器电流与谐波之间是什么关系呢?

进线滤波器,射频滤波器就电磁兼容性(EMC)方面来说,任何电气设备既要经得起外界电磁现象的干扰而有一定的抗扰度能力,也不要散发干扰给其他电气设备即产生电力公害。变频器也不例外,干扰的频率可分为低频和高频,其分界线在IEC1800)3标准中定为9kHz(有些标准定为10kHz)。此外,还有广频谱的干扰如空气放电和接触放电。这里指的是高频,实际上针对的是射频RF。

使用交流/直流电抗器的原理图

根据IEC18003的介绍:许多电力传动系统(PDS)不带滤波器在工业环境中工作正常而不干扰其他电器和设备,降低PDS干扰散发量的滤波器也降低了PDS的效率,增加了装置的外形尺寸和成本。在多数情况下,使用该设备(指PDS译注)并无干扰,但在射频接受机或灵敏电器(例如甚低压测量用),则需考虑降低干扰的方法(如高频滤波)。可见,实践表明,降低通过电源传导的高频干扰而设置滤波器在多数工业环境下是没有必要的。至于在住宅建筑环境下(它有众多的收音机、电视机等),除了变频器关于EMC标准的要求更高以外,装设射频滤波器也是要考虑的。

按照IEC标准要求,制造厂应该提供变频器进线电流中的谐波含量。变频器成套带内置进线电抗器是一个合适的降低谐波的办法,已经有几个厂家如ABB、施耐德、芬兰VassaControl公司有这样的产品,希望其他厂家也能仿效,逐步推广。

在变频器应用多的低压母线上集中装设谐波滤波和无功补偿装置,是一个复杂费力的工程问题,也要花费不低的成本,且占据空间。而变频器内置电抗器简单易行,谐波就地抑制不散发,它除抑制了谐波外,还带来了一些其他好处,因此它是一个值得提倡、推广的好方案。当变压器与变频器的功率大小相当时,变压器已有4%的短路阻抗,此时变频器已不必再增设线路电抗器了,因此,当变频器功率较大时,无论是内置的或外设的电抗器,其电抗值宜分成等级如3%、2%、1%等,以适应不同的变压器阻抗且减小装置的体积和成本。

无论是哪一种变频器,都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件,不管采用哪种整流方式,变频器从电网中吸取能量的方式都不是连续的正弦波,而是从脉动的断续方式向电网索取电流,这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上,使电压发生畸变,经傅立叶原理分析可知,这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。

使用隔离变压器的原理图

在制造业生产流程中,该如何抑制变频器谐波呢?

一、抑制变频器谐波的方法

1、变流回路的多重化

对于大容量的变频器,可以在变频器的输入端装设专用的电源输入变压器,将电源侧变流器分为2个,利用该变压器使输入电流的相位错开,以多重化来抑制变频器向电源侧的高次谐波。

2、安装交流/直流电抗器

安装电抗器实际是从外部增加变频器供电电源的阻抗,在变频器的交流侧或直流侧安装电抗器或同时安装,可以抑制谐波电流。采用交流/直流电抗器后,如图2所示,进线电流的(电压畸变率)大约降低30%~50%,是不加电抗器谐波电流的1/2左右。

3、安装有源电力滤波器

除传统的LC调试滤波器目前还在应用外,当前抑制谐波的一个重要趋势是采用有源电力滤波器,它串联或是并联于主电路中,实时从补偿对象中检测出谐波电流,由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流,从而使电网电流只含基波电流。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,其特性不受系统的影响,无谐波放大的危险,因而倍受关注,在日本等国已获得广泛应用。

4、增加变频器供电电源内阻抗

通常情况下,电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用。这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。电源容量相对变频器容量越小,内阻抗值相对越大,谐波含量越小;电源容量相对变频器容量越大,则内阻抗值相对越小,谐波含量越大。所以选择变频器供电电源变压器时,最好选择短路阻抗大的变压器。

5、安装输出电抗器

也可以采用在变频器到电动机之间增加交流电机器的方法,主要目的是减少变频器的输出在能量传输过程中,线路产生的电磁辐射。

二、设备自身减弱谐波及干扰的方法

1、使用隔离变压器

使用隔离变压器主要是应对来自于电源的传导干扰,如图4所示。使用具有隔离层的隔离变压器,可以将绝人部分的传导干扰隔离在隔离变压器之前。同时还可以兼有电源电压变换的作用。隔离变压器常用于控制系统中的仪表、PLC,以及其他低压小功率用电设备的抗传导干扰。

2、使用滤波模块和组件

目前市场中有很多专门用于抗传导干扰的滤波器模块或组件,这些滤波器具有较强的抗干扰能力,同时还能防止用电器本身的干扰传导给电源,有些还兼有尖峰电压吸收功能,对各类用电设备有很多好处。

3、接地抗干扰

接地是抑制噪声和防止干扰的重要手段,良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合,防止外部干扰的侵入,提高系统的抗干扰能力。变频器的接地方式有多点接地、一点接地及经母线接地等几种形式,要根据具体情况采用,注意不要因为接地不良而对设备产生干扰。

4、做好信号线的抗干扰

信号线承担着检测信号和控制信号的传输任务,毋庸质疑,信号传输的质量直接影响到整个控制系统的准确性、稳定性和可靠性,因此做好信号线的抗干扰是十分必要的。

值得一提的是,目前国内变频器谐波处理技术日渐成熟。由北京国电四维清洁能源技术有限公司研制生产的高压变频器,在北京密云经济开发区东吉路1号、天津东丽开发区信通路6号、华能威海发电厂完成型式试验并获得圆满成功。测得装置的输出电压相对谐波含量仅为1%,是高压变频行业的又一项重大技术突破,大大减少了对电力系统的污染,与环境和谐合一。

(本文综合中国报告大厅、工控老鬼、中国智能制造网、中国传动网、传动论坛资料,由中国传动网整编而成,图片来源于中国传动网)

供稿:中国传动网

本文链接:http://www.chuandong.com/news/news.aspx?id=185394

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