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高壓變頻器的諧波分析

2019-12-13

高壓變頻器的整流和逆變線路都使用了電力電子器件的開關特性，在其輸入和輸出端都會產生波形畸變，對供電線路和負載電機造成有害的影響。因此高壓變頻器的諧波含量是決定其性能和應用效果的重要參數之一。在這一講中，我們將對這種諧波影響的機理和消除方法作一介紹。
2.1諧波對供電電源的影響
對供電電源而言，高壓變頻器的開關特性形成一個非線性負載。這種非線性負載改變了交流電力線路中電流的正弦波特性，從而在交流電力系統中產生有害的高次諧波。這種諧波影響的機理如圖1所示。
圖中，pcc為配電線路的公共供電點，變頻器為連接于該點的諧波源，其諧波電流經過電源內阻的耦合作用，造成pcc點交流電壓的波動。此諧波電壓將使連接pcc點上的通訊設備、計算機及其他用電設備受到干擾，嚴重時不能正常工作。又由于電源內阻zs的電阻極小，可忽略不計，基本上是一個電抗。當電網上接有功率因數補償器等電容負載時，電源電抗有可能和負載電容形成諧振，這個諧振頻率接近于諧波源的某個諧波頻率時，會在pcc點上產生很高的諧波電壓。為此，必須使變頻器的諧波電流減小到一定程度，才不會對電路中的其他設備造成有害的影響。
2.2ieee-519簡介
為了限制變流裝置對電力系統的諧波干擾，有利于電力電子裝置的推廣應用，世界各國都相繼制定了有關的國家標準，以保證電網的供電質量。其中最具權威性的是美國電氣和電子工程協會(ieee)制定并作為美國國家標準(ansi)的ieee-519。
ieee-519在1981年首次頒布，稱為“ieeestd.519-1981關于靜態功率變換器的諧波控制和無功補償的指南”。1992年經修訂后又重新發布了“ieeestd.519-1992”,稱為“ieee對電功率系統中諧波控制的要求和推薦標準”。該標準詳細分析了波形畸變的原因及其影響;確定了判別畸變程度的參量;制定了對電力系統中波形畸變的限制;介紹了波形畸變的分析方法和控制措施等，對從事大功率變頻調速系統開發和應用的工程技術人員具有指導性的作用。
ieee中用來判別波形畸變的最主要指標是畸波系數(或諧波系數)df:
式中hi為基波的幅值，hn為n次諧波的幅值。分子表示所有諧波的均方根(rms)值。
另外，標準中常使用的兩個指標有:
thd:總諧波畸變(totalharmonicdistor-tion)，是以正常基波電壓的百分比表示的諧波電壓總畸變值。
實際上，對同一個波形而言:
thd=df
tdd:總指令值畸變(totaldemanddistor-tion)，是以最大指令負載電流(15或30分鐘指令)的百分比表示的諧波電流畸變。
表1列出ieee對公共供電點(pcc)處電壓畸變的限制要求:
表1可用于正常運轉條件下(連續運行1小時以上)“最壞情況”的系統設計。短期起動或非正常條件下，限制值可超過50。
另一方面，從前面的分析我們已經知道，一個非線性負載造成的畸變電壓，還與該負載的電流在電源阻抗上產生的壓降大小有關，即與負載容量的大小有關。為此引入參數isc/il，表示在pcc點上電源短路電流與最大基波負載電流之比。其中，il為最大基波指令負載電流，從以前12個月期間最大指令的平均電流計算得到。ieee允許負載容量較小的用戶引入供電點的諧波電流可以大一些，這有利于合理分配用電和合理設計變流裝置。表2給出了不同isc/il值下對變流設備諧波的限制。
2.3我國關于波形畸變限制的規定
我國國家標準gb12668-90“交流電動機半導體變頻調速裝置總技術條件”中對交流輸入電源規定:電壓的穩態相對諧波含量的均方根值不超過10。其中任何奇次諧波均不超過5，任何偶次諧波均不超過2，短時(持續時間小于30秒)出現的任意一次諧波含量不超過10。
2.4諧波分析
用計算機的諧波分析程序可計算高壓變頻器的諧波電流和這些諧波電流電源供電點上產生的電壓波形畸變。如果電源阻抗小，短路容量大，計算出的總諧波畸變(thd)小于ieee519的規定，變頻器的投入就不會對供電點上其他用電器帶來問題。如果thd超出規定范圍，就必須增加輸入濾波器。設計程序可幫助設計者選擇濾波器的參數，直到達到要求為止。諧波分析需要的輸入數據包括:
-電源阻抗及輸入變壓器阻抗
-變頻器型號及有關參數
-電機型號、有關參數及負載特性曲線
-依據的波形畸變和功率因數限制標準
以圖2(a)中的scr電流型變頻驅動系統為例，設變頻器從電網的輸入端為電源的pcc點，以額定容量3750kva為基準的標準電源阻抗為0.05，變頻器是2400v，1600kw，當沒有濾波器時可計算得出其電流波形(參見圖2(b))，和各項諧波分量及總諧波畸變值。數據表明，其總電流波形畸變thd=29.4，總電壓波形畸變thd=10.4，均超過ieee-519標準的要求。
當引入圖3(a)所示的濾波器后，仿真計算表明(參見圖3(b))，電流的thd降為7，電壓的thd降為3，均達到ieee519的標準。
2.5諧波對電機及驅動負載的影響
高壓變頻器輸出電流諧波對電機及拖動負載同樣會造成有害的影響。這種影響既有機械的、也有電氣的。
2.5.1轉矩脈動和轉矩分析
一般工頻電源供電的電動機，因為定子電壓和電流都是標準的正弦波，不含諧波成分，所以運轉平穩，無脈動。但當由變頻器對電機供電時，如果變頻器輸出電流中含有諧波成分，電機的轉矩就會產生脈動。以6相電流型變頻器為例，其輸出電流波形中包含6k±1次(k=1，2，…)的高次諧波，因而電動機就會產生頻率為定子電流基本頻率6k倍的脈動轉矩。對一般負載，這樣大小的脈動轉矩影響不大。但如果電機要求在低速下運行(<2hz)時，有可能導致轉速不勻均。對風機和水泵等泵類負載，如果在調速范圍內，某個機械部件的固有振蕩頻率和脈動轉矩的頻率一致的話，該部件將發生諧振，會對設備造成潛在的損傷并產生噪聲。因此有必要在事先作出轉矩分析，避免上述情況發生。
轉矩分析主要對旋轉件進行。輸入數據包括機械變量和諧波轉矩分量。在作轉矩分析之前，先要把變頻器的輸出電流、電壓的諧波分量控制到標準規定的限度以內，必要的話，應增加輸出變壓器或濾波器。轉矩分析的結果如果還存在潛在的諧振，就要從機械上沒法加以避免。
主要可能產生諧振的構件有:
-帶內部冷卻葉片的主軸。主軸固有振蕩頻率一般低于幾十hz，但葉片等構件的固有振蕩頻率可能較高。可通過改變連接剛性和增加阻尼來解決。
-風機和水泵的葉輪和葉片
-大的平板形外罩、殼體等。是主要噪聲諧振的來源。可通過加皮筋和橡皮來解決。
2.5.2諧波對電動機的影響
變頻器輸出電流諧波對電動機的影響,還表現在噪聲過大和發熱超標。因此，對由含有諧波電流供電的電動機，即使諧波達到了一定標準，也應根據情況，適當“降額使用”。也就是說，電機不要用足100的負載，而至少要考慮5的余量。
2.6降低高壓變頻器波形畸變的措施
降低高壓變頻器對電流的畸變影響，最根本的方法當然是盡可能減少以至消除高壓變頻器本身電流的波形畸變。為此，各高壓變頻器制造商都在努力研究新的方法，開發低諧波的高壓變頻器產品。
目前，已在產品中得到應用的低諧波技術歸納如下:
(1)逆變單元的并聯多元化
采用2個或多個逆變單元并聯，通過波形移位疊加，抵消諧波分量。
(2)整流電路的多重化
在pwm變頻器的輸入整流電路中采用12脈波，18脈波或24脈波的整流，以減小諧波。
(3)功率單元的串聯多重化
采用多脈波(如30脈波)的串聯功率單元多重化線路，可將其諧波減到很小。
(4)探討新的變頻調制方法，如電壓矢量的變形調制。
表3列出同樣條件下，常用的不同形式變頻器的諧波含量，供比較參考。

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