变频器及其谐波治理和无功补偿

变频器及其谐波治理和无功补偿2004-9-9王守军这篇文章被阅读了6次摘要：本文通过变频器的原理分析，阐述了变频器产生谐波的机理及其治理措施和无功补偿。1变频器的工作原理变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。常用三相交流异步电动机的结构为图1所示。定子由铁心及绕组构成，转子绕组做成笼型(见图2)，俗称鼠笼型电动机。当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋传磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用N表示N=60f／P(r／min)(1)式中：f—三相交流电源频率，一般为50Hz；P—磁极对数。转子的实际转速n比磁场的同步转速N要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s表：s=[(n1-n)／n1]×100％(2)当加上电源转子尚未转动瞬间，n=O，这时s=1；起动后的极端情况n=N，则s=0，即s在0-1之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=(1~)％。综合式(1)和式(2)可以得出异步电动机的转速为：n=60f(1-s)／p(3)由式(3)可以看出，对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率S变化不太，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定于的供电电机也要作相应调节。变频器就是在调整频率(VariableFrequency)的同时还要调整电压(VariableVoltage)，故简称VVVF(装置)。通过电工理论分析可知，转矩与磁通量(最大值)成正比，在转子参数值一定时，转矩与电源电压的平方成正比。变频器的工作原理量把市电(380V、50Hz)通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件(GTO、GTR或IGBT)组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制(SPWM)方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。上述的两次变换可简化为AC—DC—AC(交一直一交)变频方式。利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高、调速范围宽、精度高且能无级变速的优点，这对于水泵，风机等设备是很适用的。2变频器的分类2．1按变换的环节分类可分为交一交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器：交一直一交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。2．2按直流电源性质分类(1)电流型变频器电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流型变频器。电流型变频器的特点是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。(2)电压型变频器电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。3变频器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式不可控整流成直流电压信号，经滤波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信号。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，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。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2—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正弦波的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。4变频器供电系统的谐波治理与无功功率补偿方法根据变频器分类，变频器供电系统的就地谐波治理与无功功率补偿装置分为：含各次滤波器的动态无功功率补偿装置、6％电抗的动态无功功率补偿装置、固定投入各次滤波器的装置。有源滤波器补偿装置，因技术和价格的原因，日前还难在国内推广。4．1交一交变频器电网通过可控硅三相可逆整流桥给变频器供电，功率因数很低。供电电流不仅包含6K±1次谐波(K=l、2、3、…)，还在谐波附近出现间隔为变频器输出频率间谐波。用五次、七次、十一次和十三次滤波器可以滤除谐波，但是滤波器对一些间谐波呈容性，必然产生间谐波放大现象。就地实现谐波、间谐波治理和无功功率补偿是安装6％电抗的动态无功功率补偿装置。特点是对五次和五次以上谐波和间谐波都呈感性，没有谐波放大现象。对五次、七次谐波和五次、七次谐波附近的间谐波也有一定的滤波效果。4．2交一直一交电流型变频器电网通过可控硅三相全控整流桥给变频器供电，功率因数角约等于控制角a。电流包含6K±1谐波(=1、2、3、…／，并且在直流电流无脉动的理想情况下，n次谐波电流含量是基波电流的1／n。实际上，直流电流脉动导致五次谐波和七次谐波含量增加，大于七次谐波的高次谐波含量减少。就地实现谐波治理和无功功率补偿是安装含各次滤波器的动态无功功率补偿装置。装置中计算机根据基波无功功率投入一定数量的五次、七次、十一次和十二次滤波器。滤波器对基波呈容性，补偿基波无功功率；滤波器对谐波呈现很小的电感，滤除各次谐波无功功率。4．3交一直一交电压型变频器电网通过三相二极管全控整流桥给变频器供电，功率因数大于0．97。由于二极管整流桥仅在网压峰顶开通，对电容器充电，电流波形是导通角较窄的尖锋。供电电流包含6K±I谐波(K=1、2、3、…)，谐波含量随进线电抗和直流滤波电抗的电感量增加而减少。一般来说，加电抗器后五次谐波、七次谐波、十一次谐波和十三次谐波仍然占40％、35％、25％和20％。对供电变频器还有其它感性负载的场合，可以安装含各次滤波器的动态无功功率补偿装置；对几乎是交一直一交电压型变频器的车间由于不需要补偿基波无功功率，仅需要滤除谐波无功功率，应安装固定投入各次滤波器的装置。为了防止轻载过补偿对电网电压的提升，该滤波端应该在设计时考虑谐波发热和过压问题。5变频器供电系统的谐波治理与无功功率补偿的意义随着变频器的广泛应用，变频器供电系统的谐波治理与无功功率补偿的意义逐渐被人们所认识。变频器供电电源按傅立叶级数可以分解为基波有功电流，基波无功电流，谐波和间谐波电流。基波无功电流占用电网容量，导致网压波动，在供配电设施产生热损耗，降低了供配电设施产生热损耗和运行可靠性。谐波和间谐波的集肤效应使输电线等效截面积变小，线路损耗增加；铁芯中附加高频涡流损耗；谐波和间谐波电流导致网压波形畸变和辐射干扰，引起同一电网下其它负载出力减少，损耗增加，甚至误动作。变频器用量较大的配电系统，用电容器直接进行无功功率补偿虽然可以大幅度降低基波无功电流，但是必然出现谐波放大现象。这时，供电电流和电容器电流中谐波和间谐波电流大幅度增加，电容器由于超温和过压而损坏，供电变压器温升加大。为避免谐波电流大幅度增加，电容器由于超温和过压而损坏，供电变压器温升加大。为避免谐波放大，谐波治理常与无功功率补偿必须同时进行。从基波无功电流，谐波和间谐波电流的危害上可看出：在负荷侧(谐波原侧)对谐波进行治理与无功功率补偿可以获得很大的效益。6结论1994年我国颁布了(电能质量公用电网谐波)(GB／T14549—93)的国家标准，对各级公用电网的谐波电压和用户注入电网的谐波电流均作出了明确的规定。原电力工业部于1998年也颁发了(电网电能质量技术监督管理的规定)，其中第五条指出：“因电网或用户用电原因引起的电能质量不符合国家标准时，按‘谁干扰，谁污染，谁治理’的原则及时处理，并贯穿于电网及用电设施设计、建设和生产的全过程。”因此，随着变频器的不断普遍应用，由此产生的谐波对电能质量的影响越来越严重，在设计中应针对不同形式的变频器采用适当的谐波补偿措施，这对消除谐波故障隐患是非常必要的。参考文献[1]《电机学》[2]张章谭，孟文博．《变频器与谐波》[3]张苓．《电网的谐波抑制》[4]周平．《电源质量及谐波治理》