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一、變頻器諧波產(chǎn)生原理
實際上不限于通用變頻器,晶閘管供電的直流電動機、無換向器電動機等凡是在電源側(cè)有整流回路的,都將產(chǎn)生因其非線性引起的高次諧波,對通用變頻器的諧波治理就顯得尤為重要。
在整流回路中,輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波,波形按傅立葉級數(shù)分解為基波和高次諧波,諧波次數(shù)通常為6n±1次高次諧波,其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。如果出現(xiàn)電源側(cè)電抗充分小、換流重疊角"可以忽略強狂,那么n次高次諧波為基波電流的1/n。輸出端諧波產(chǎn)生機理:在逆變輸出回路中,輸出電流信號是受PWM載波信號調(diào)制的脈沖波形。輸入端諧波產(chǎn)生機理:變頻器的主電路一般為交一直一交組成,外部輸入380V/50Hz的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓,經(jīng)電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流電壓。對于GTR大功率逆變元件,其PWM的載波頻率為2~3kHz,而IGBT大功率逆變元件的PWMZ高載頻可達15kHz。同樣,輸出回路電流信號也可分解為只含基波和其他高次諧波。
二、高次諧波危害
傳導(dǎo)是指高次諧波按著各自的阻抗分流到電源系統(tǒng)和并聯(lián)的負(fù)載,對并聯(lián)的電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾;感應(yīng)耦合是指在傳導(dǎo)的過程中,與變頻器輸出線平行敷設(shè)的導(dǎo)線又會產(chǎn)生電磁耦合形成感應(yīng)干擾;電磁輻射是指變頻器輸出端的高次諧波還會產(chǎn)生輻射作用,對鄰近的無線電及電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。與一般無線電電磁干擾一樣,變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過傳導(dǎo)、電磁輻射和感應(yīng)耦合三種方式對電源及鄰近用電設(shè)備產(chǎn)生諧波污染。高次諧波的危害具體表現(xiàn)在以下幾個方面:
(1)開關(guān)設(shè)備:由于諧波電流使開關(guān)設(shè)備在起動瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率,使暫態(tài)恢復(fù)峰值電壓增大,破壞絕緣,還會引起開關(guān)跳脫、引起誤動作。
(2)電力電容器:當(dāng)高次諧波產(chǎn)生時由于頻率增大,電容器阻抗瞬間減小,涌人大量電流,因而導(dǎo)致過熱、甚至損壞電容器,還有可能發(fā)生共振,產(chǎn)生振動和噪聲。
(3)保護電器:電流中含有的諧波會產(chǎn)生額外力距,改變電器動作特性,引起誤動作,甚至改變其操作特性,或燒毀線圈。
(4)感應(yīng)電動機:電流和電壓諧波同樣使電動機銅損和鐵損增加,溫度升。同時諧波電流會改變電磁轉(zhuǎn)距,產(chǎn)生振動力矩,使電動機發(fā)生周期性轉(zhuǎn)速變動,影響輸出效率,并發(fā)出噪聲。
(5)電力電子設(shè)備:電力電子設(shè)備通??烤_電源零交叉原理或電壓波形的形態(tài)來控制和操作,若電壓有諧波成分時,零交叉移動、波形改變、以致造成許多誤動作。
(6)計量儀表:計量儀表因為諧波會造成感應(yīng)盤產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)距,引起誤差,降低精度,甚至燒毀線圈。
(7)變壓器:電流和電壓諧波將增加變壓器銅損和鐵損,結(jié)果使變壓器溫度上升,影響絕緣能力,造成容量裕度減小。諧波還能產(chǎn)生共振及噪聲等。
另外,高次諧波還會對電腦、通信設(shè)備、電視及音響設(shè)備、載波遙控設(shè)備等產(chǎn)生干擾,使通信中斷,產(chǎn)生雜訊,甚至發(fā)生誤動作,另外還會對照明設(shè)備產(chǎn)生影響。
三、抑制變頻器高次諧波治理
1.對于變頻器輸出側(cè)高次諧波治理
降低PWM控制的輸出波形中所含有的交流諧波成分帶來的磁雜訊技術(shù)已越來越多地在各種變頻器中得到應(yīng)用,如采用更高頻率的開關(guān)元件、變頻器輸出端加裝濾波裝置,用隨機法調(diào)節(jié)切換頻率和閉環(huán)控制改善高次諧波。
2.對于變頻器輸入側(cè)高次諧波治理
(1)在變頻器交流輸入側(cè)設(shè)置交流電抗器增大整流阻抗使整流重疊角增大,減小高次諧波。
(2)在電力回路中并聯(lián)使用交流濾波裝置,能將來自變頻器的高次諧波分量與電源系統(tǒng)分流。
(3)對于裝設(shè)多臺變頻器的場合,可各配專用的變壓器,利用輸入變壓器相位錯開的方法抑制高次諧波。
3.使用無源濾波器或有源濾波器
使用無源濾波器其主要是改變在特殊頻率下電源的阻抗,適用于穩(wěn)定、不改變的系統(tǒng)。而使用有源濾波器主要是用于補償非線性負(fù)載。
傳統(tǒng)的方式多選用無源濾波器,無源濾波器出現(xiàn)Z早,因其結(jié)構(gòu)簡單、投資少、運行可靠性較高以及運行費用較低,至今仍是諧波抑制的主要手段。LC濾波器是傳統(tǒng)的無源諧波抑制裝置,它由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成,與諧波源并聯(lián),除具有濾波作用外,還有無功補償?shù)淖饔谩_@種裝置存在一些較難克服的缺點,主要是容易過載,在過載時會被燒損,可能造成功率因數(shù)過引、償而被罰款;另外,無源濾波器不能受控,因此隨著時間的推移,配件老化或電網(wǎng)負(fù)載的變動,會使諧振頻率發(fā)生改變,濾波效果下降。更重要的是無源濾波器只能過濾一種諧波成份(如有的濾波器只能濾除三次諧波),如果過濾不同的諧波頻率,則要分別用不同的濾波器,增加設(shè)備投資。
國內(nèi)外有多種有源濾波器,這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償,且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。有源電力濾波器 (APF)理論在20世紀(jì)60年代形成,后來著大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟,脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制技術(shù)的進步以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出,有源電力濾波器得以迅速發(fā)展。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流,由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流頻譜, 以抵消原線路諧波源所產(chǎn)生的諧波,從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。其中核心部分是諧波電流發(fā)生器與控制系統(tǒng),即其工作靠數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)控制快速絕緣雙極晶體管(1GBT)來完成。
目前,在具體的諧波治理方面, 出現(xiàn)了無源濾波器(LC濾波器)與有源濾波器互補混合使用的方式,充分發(fā)揮LC濾波器結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)、成本低,有源電力濾波器補償性能好的優(yōu)點,克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點,兩者結(jié)合使用,從而使整個系統(tǒng)獲得良好的性能。
高次諧波治理與并聯(lián)電容器組的混合補償技術(shù)方案不但充分利用了企業(yè)原有的無功補償設(shè)備,而且發(fā)揮了有源濾波裝置補償小容量諧波的高性能、低成本特點,因而具有較高的工程應(yīng)用價值。
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