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张丽彬 陈晓宁
(解放军理工大学 南京 210007)
摘 要:文章针对变频器这一特殊谐波源设备,从变频器谐波的定义以及谐波的治理的标准入手,分析了变频器产生谐波的原因和危害,并优化了抑制变频器谐波和设备自身减弱谐波及抗干扰的方法,在应用中只能尽可能的抑制谐波和减少谐波对外界的影响.
关键词:变频器 谐波 变频器谐波干扰 滤除 抑制谐波 有源滤波器
中图分类号:TM7 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)12(a)-0071-02
变频器是运动控制系统中的功率变换器.当今的运动控制系统是包含多种学科的技术领域,总的发展趋势是:驱动的交流化,功率变换器的高频化,控制的数字化、智能化和网络化.因此,变频器作为系统的重要功率变换部件,提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展.由于其论文范文的调速性能、节能效果显著以及可以接受的论文范文,使它获得广泛应用,但是也带来不可忽视的不良后果,在变频器运行过程中,需要对输入电源用大功率二极管整流(或晶体管/逆变模块)进行逆变,在其逆变过程中,在输入输出回路产生的高次谐波输入到电网中,对供电系统、负载及其他邻近电气设备产生干扰,给电网造成谐波污染,严重时影响到用电设备的安全运行,因此必须对谐波进行治理或抑制.
1. 相关的定义
1.1 什么是谐波
谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量,通常也称为高次谐波,而基波是指其频率与工频相同的分量.就电力系统中的三相交流发电机发出的电压来说,可以认为其波形基本上是正弦量,即电压波形基本上无直流和谐波分量.但由于电力系统中存在着各种各样的谐波源(谐波源是指向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备),特别是变流装置等设备.
变频器谐波是一个周期量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍,变频器谐波的幅值大小和谐波相对于基波的相位关系都是影响这个周期量的重要因素.通俗地说,基波频率是50Hz,那末谐波就是频率为100Hz、150Hz、200Hz等N×50Hz的正弦波.
1.2 谐波治理的有关标准
变频器谐波治理应注意下面几个标准,抗干扰标准:EN50082-1、EN50082-2,EN61800-3,辐射标准:EN5008l-1、EN5008l -2,EN61800-3,还有是IECl0003、IECl800-3(EN61800-3)、IEC555(EN60555)和IEEE519-1992.普通的抗干扰标准EN50081和EN50082以及针对变频器的标准EN61800(1ECl800-3)定义了设备在不同的环境中运行时的辐射及抗干扰的水平.上述标准定义了在不同环境条件下的可接受辐射等级:L级,无辐射限制.适用于在不受干扰的环境下使用变频器的用户和自己处理辐射限制的用户.H级,根据EN61800-3确定的限制,第一环境:有限制分布,和第二环境:作为选件RFI滤波器,配置RFI滤波器可以使变频器达到商业级,通常用于非工业的环境.
2. 变频器谐波产生机理
2.1 变频器输入端谐波产生机理
变频器的主电路一般为交一直一交组成,外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压,经电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流电压.在整流回路中,输入电流的波形为不规则的矩形波,波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波,谐波次数通常为6n±1次高次谐波,其中的高次谐波将干扰输入供电系统.如果电源侧电抗充分小、换流重叠角可以忽略,那么n次高次谐波为基波电流的1/n.
2.2 变频器输出端谐波产生机理
在逆变输出回路中,输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形.对于GTR大功率逆变元件,其PWM的载波频率为2kHz～3kHz,而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz.同样,输出回路电流信号也可分解为只含基波和其他各次谐波.而高次谐波电流对负载直接干扰.另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射,干扰邻近电气设备.
3. 变频器谐波干扰的危害
变频器的电源系统和电力设备输出的高压母线相连接,在这条线路上同时还存在着电容器、发电机、变压器、电动机等负载,变频器产生的高次谐波电流将按各自的阻抗分流到电源系统和并联的负载上,对相关电气设备造成不同程度的影响[2].
(1）谐波电流和谐波电压将增加变压器铜损和铁损,结果使变压器温度上升,影响绝缘能力,造成容量裕度减小.谐波还能产生共振及噪声.
（2）电动机输出谐波对电动机的影响主要是引起电动机附加发热,导致电动机的额外温升,电机往往要降额使用,由于输出波形失真,增加电动机的重复峰值电压,影响电动机的绝缘,谐波还会引起电机转矩脉动,以及噪声增加.
（3）高次谐波由于频率增大,电容器对高次谐波阻抗减小,因过电流而导致温度升高过热、甚至损坏电容器,电容器与系统中的感性负荷构成的并联或串联电路,还有可能发生谐波共振,放大谐波电流或电压加重谐波的危害.经由电容器组电容和电网电感形成的并联谐振回路,可被放大到10～15倍.
（4)由于谐波电流使开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率,使暂态恢复峰值电压增大,破坏绝缘,还会引起开关跳脱、引起误动作.保护电器电流中含有的谐波会产生额外转距,改变电器动作特性,引起误动作,甚至改变其操作特性,或烧毁线圈.
(5）保护电器电流中含有谐波,必产生额外的转矩,改变电器的动作特性,以致引起误动作.例如接地故障电器无法分辨零序电流或三次谐波电流,假若三次谐波电流太大,必会引起误动作,零序保护跳闸,而且谐波会将快速及低加速的电器改变成慢速及高加速的电器,对一般电器都会稍许改变其操作特性,又依谐波成分的不同,电器的动作转矩可能会倒反,或大谐波电流通过电器线圈,常会因过热而损坏.
(6)计量仪表瓦时计(电能表)等计量仪表,因谐波而会造成感应转盘产生额外的电磁转矩,使误差增大,降低精确度.过大的谐波电流,也很容易将仪器里的线圈损坏.
(7)电力电子设备在多种场合,电子设备常会产生谐波的电流源,且很容易感受谐波失真而误动作.这种设备常靠着准确的电压零交叉原理或电压波形的形态来进行控制或操作.若电压有谐波成分时,零交叉点移动、波形改变,以致造成许多误动作.
(8)照明设备谐波对白炽灯而言,会影响其寿命,当谐波增加时,将使灯泡寿命缩短.至于荧光灯或水银灯的起辉器,有时装有电容,此电容器与起辉器及线路的电抗,可能对某一频率的谐波形成共振电路,这将产生额外的热损,甚至会损坏该灯具.
(9)电力线路上流过幅值较大奇次低频谐波电流磁场耦合时,会邻近电力线通信线路中产生干扰电压,干扰通信系统工作,影响通信线路通话清晰度,极端情况下,还会威胁着通信设备和人员安全.
变频器谐波抑制:变频器维修教程
(10)电视及音响设备谐波会使各种电子设备发生杂讯、影像错乱或闪烁,会使电晶体及电容器等零件劣化而发生故障,对其性能和寿命都有不良的影响.
(11)电脑设备会因电源电压波形的失真,而引起误动作.
4. 抑制变频器谐波的方法
抑制谐波的方法有三个思路:一是装设谐波补偿装置来补偿谐波,二是对电力电子装置本身进行改造,使其不产生谐波,且功率因数可控制为1,三是在市电网络中采用适当的措施来抑制谐波,具体方法有以下几种.
4.1 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相位错开,以多重化来抑制变频器向电源侧的高次谐波.
4.2 安装交流／直流电抗器
安装电抗器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,来抑制谐波电流.采用交流／直流电抗器后,如图1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.
4.3 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.
4.4 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.
4.5 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.如图3所示,该电抗器必须安装在距离变频器最近的地方,尽量缩短与变频器的引线距离.如果使用铠装电缆作为变频器与电动机的连线时,可不使用这方法,但要做到电缆的铠在变频器和电动机端可靠接地,而且接地的铠要原样不动接地,不能扭成绳或辫,不能用其他导线延长,变频器侧要接在变频器的地线端子上,再将变频器接地.
5. 设备自身减弱谐波及干扰的方法
5.1 使用隔离变压器
将变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立,或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器,切断谐波电流.
5.2 接地抗干扰
正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰,又能降低设备本身对外界的干扰.变频器使用专用接地线,且用粗短线接地,邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开,使用短线,这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰.
5.3 做好信号线的抗干扰
电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆,并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设,避免辐射干扰.
6. 结语
变频器的使用给人们带来了方便和巨大的利益,它必将得到更为普遍的使用.但由于变频器自身的构造,变频器产生谐波是不可避免的随着电力电子技术以及微电子技术等技术的飞速发展,在治理谐波问题上将会迈上一个新的台阶,将变频器产生的谐波控制在最小范围之内以达到抑制电网污染,提高电能质量,满足对变频器的需求.
参考文献
[1]魏韶刚.工业变频器原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2006.
[2]吴忠智,吴加林.变频器应用手册[M].北京:机械工业出版社,2004.
[3]张选正.变频器谐波抑制方法及测量[J].电气时代,2004,(11).
[4]田长虹.变频器抗干扰措施[J].大众用电,2005(1).
总结：该文是关于谐波变频器论文范文，为你的论文写作提供相关论文资料参考。
变频器谐波抑制引用文献:
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[2] 经典变频器论文参考文献 变频器期刊参考文献哪里找
[3] 变频器论文大纲格式模板 变频器论文框架怎么写
