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高次谐波治理的方法 变频器工作中产生

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高次谐波治理的方法 变频器工作中产生

发布日期:2015-11-26 00:00 来源:http://www.xjklhf.cn 点击:

高次谐波治理的方法 变频器工作中产生


1变频器谐波产生原理   实际上不限于通用变频器,晶闸管供电的直流电动机、无换向器电动机等凡是在电源侧有整流回路的,都将产生因其非线性引起的高次谐波,对通用变频器的谐波治理就显得尤为重要。   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高次谐波,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。如果出现电源侧电抗充分小、换流重叠角"可以忽略强狂,那么n次高次谐波为基波电流的1/n。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。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。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基波和其他高次谐波。   2高次谐波危害   传导是指高次谐波按着各自的阻抗分流到电源系统和并联的负载,对并联的电气设备产生干扰;感应耦合是指在传导的过程中,与变频器输出线平行敷设的导线又会产生电磁耦合形成感应干扰;电磁辐射是指变频器输出端的高次谐波还会产生辐射作用,对邻近的无线电及电子设备产生干扰。与一般无线电电磁干扰一样,变频器产生的高次谐波通过传导、电磁辐射和感应耦合三种方式对电源及邻近用电设备产生谐波污染。高次谐波的危害具体表现在以下几个方面:   (1)开关设备: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。   (2)电力电容器:当高次谐波产生时由于频率增大,电容器阻抗瞬间减小,涌人大量电流,因而导致过热、甚至损坏电容器,还有可能发生共振,产生振动和噪声。   (3)保护电器:电流中含有的谐波会产生额外力距,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。   (4)感应电动机:电流和电压谐波同样使电动机铜损和铁损增加,温度升。同时谐波电流会改变电磁转距,产生振动力矩,使电动机发生周期性转速变动,影响输出效率,并发出噪声。   (5)电力电子设备:电力电子设备通常靠精确电源零交叉原理或电压波形的形态来控制和操作,若电压有谐波成分时,零交叉移动、波形改变、以致造成许多误动作。   (6)

n?In;并联了补偿电容器后,则谐波源的输入谐波电抗为:此时谐波电压,注入系统的谐波电流Un,Isn>In.即并联电容器使系统的谐波被放大了。如果对应某次谐波有Xsn-Xcn=0即发生谐波,则其谐波电流、电压都趋于无穷大。为了摆脱这一谐振点,通常在电容器支路串接电抗器,其感抗值的选择应使在可能产生的任何谐波下,均使电容器回路的总电抗为感抗而不是容抗,从根本上消除了产生谐波的可能性。 (2)装设由电容、电感及电阻组成的单调谐滤波器和高通滤波器  单调谐滤波器是针对某个特定次数的谐波而设计的滤波器,高通滤波器是为了吸收若干较高次谐波的滤波器。应装设的滤波器类型、组数及其调谐频率(滤波次数)可由具体计算决定。  如电力机车是大功率单相整流装置,它有谐波问题,根据实测资料,韶山-1型机车电流的谐波含有率大致如表1,影响电力机车注入电力系统谐波电流的因素很多,接触网是影响因素之一,图中Zsn为电力系统的谐波阻抗,供电臂全长为L,臂上只有一辆电力机车,位于离变电所l处。 设接触网单位长度的n次谐波阻抗、导纳分别为Zn、Yn,则其n次谐波特征阻抗Zcn和传播常数γn 可见一般接触网对机车谐波电流起到放大作用,当机车处于供电臂末端(l=L时)放大作用最大。解决牵引机车的谐波问题,一般方法是在牵引变电所装设3、5、7各次滤波器。近年新投运的部分电力机车改用车载分次滤波器的方式,滤除3、5次谐波效果很好。 (3)增加整流相数  高次谐波电流与整流相数密切相关,即相数增多,高次谐波的最低次数变高,则谐波电流幅值变小。一般可控硅整流装置多为6相,为了降低高次谐波电流,可以改用12相或36相。当采用12相整流时,高次谐波电流只约占全电流的1%,危害性大大降低。  (4)当两台以上整流变压器由同一段母线供电时,可将整流变压器一次侧绕组分别交替接成Y型和△形,这就可使5次、7次谐波相互抵消,而只需考虑11次、13次谐波的影响,由于频次高,波幅值小,所以危害性减小. ◆结论  (1)谐波的发生影响整个电力系统的环境,如在通讯中因发生谐波噪声使通话质量下降,使控制和保护设备发生误动作以及使电力装置与系统过载,给电力系统正常运行造成危害。  (2)谐波的管理通常是制定用户公共连接点处的电压谐波含量限制标准,即制定有关标准,采取相应措施,严格控制,净化电力系统环境。  (3)在测量谐波时必须注意PT与CT的精确度,否则造成误差很大,用CT末屏分压测取系统的谐波电压具有准确、方便的优点。在超高压系统谐波电压测试中得到推广运用。

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计量仪表:计量仪表因为谐波会造成感应盘产生额外转距,引起误差,降低精度,甚至烧毁线圈。   (7)变压器:电流和电压谐波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等。   另外,高次谐波还会对电脑、通信设备、电视及音响设备、载波遥控设备等产生干扰,使通信中断,产生杂讯,甚至发生误动作,另外还会对照明设备产生影响。   3抑制变频器高次谐波治理   3.1对于变频器输出侧高次谐波治理   降低PWM控制的输出波形中所含有的交流谐波成分带来的磁杂讯技术已越来越多地在各种变频器中得到应用,如采用更高频率的开关元件、变频器输出端加装滤波装置,用随机法调节切换频率和闭环控制改善高次谐波。   3.2对于变频器输入侧高次谐波治理   (1)在变频器交流输入侧设置交流电抗器增大整流阻抗使整流重叠角增大,减小高次谐波。   (2)在电力回路中并联使用交流滤波装置,能将来自变频器的高次谐波分量与电源系统分流。   (3)对于装设多台变频器的场合,可各配专用的变压器,利用输入变压器相位错开的方法抑制高次谐波。   3.3不管采用何种方法,都不可能完全解决高次谐波治理问题,在实际工业生产中为消除变频器高次谐波对电气设备的干扰,主要从传导、辐射和耦合三个方面解决。总的原则是抑制和切断干扰源、切断干扰对系统的耦合通道和降低对干扰信号的敏感性。解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离掉,解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽,解决耦合干扰就是合理布置干扰源和被干扰线路的距离、走向,避免耦合产生。   除了采用诸如隔离、屏蔽、接地、合理布线等抑制干扰传播的技术方法以外,还可以采取回避和疏导的技术处理,如滤波、吸收和旁路等等,这些回避和疏导技术简单而巧妙,有时可以代替成本费用昂贵而质量体积较大的硬件措施,收到事半功倍的效果。 高次谐波治理与并联电容器组的混合补偿技术方案不但充分利用了企业原有的无功补偿设备,而且发挥了有源滤波装置补偿小容量谐波的高性能、低成本特点,因而具有较高的工程应用价值。 前言 随着电力电子技术的飞速发展,各种新型用电设备越来越多地问世和使用,高次谐波的影响越来越严重。电力系统受到谐波污染后,轻则影响系统的运行效率,重则损坏设备以至危害电力系统的安全运行。以前,电力系统考核电能质量的主要指标是电压的幅值和频率,现在世界各国都把电网电压正谐波形畸变率极限值作为电能质量考核指标之一,正确认识谐波已成为电力工作者的重要任务之一。因此,研究和分析谐波产生的原因、危害和抑制谐波的措施具有重要的实际意义。 ◆谐波产生的原因  在供电系统中谐波的发生主要是由两大因素造成的: (1)可控硅整流装置和调压装置等的广泛使用,晶闸管在大量家用电器中的普通采用以及各种非线性负荷的增加导致波形畸变。  (2)设备设计思想的改变。过去倾向于采用在额定情况以下工作或裕量较大的设计。现在为了竞争,对电工设备倾向于采用在临界情况下的设计。例如有些设计为了节省材料使磁性材料工作在磁化曲线的深饱和区段,而在这些区段内运行会导致激磁材料波形严重畸变。 ◆谐波对电力系统的危害  谐波对电力系统的污染日益严重,谐波源的注入使电网谐波电流、谐波电压增加,其危害波及全网,对各种电气设备都有不同程度的影响和危害。现将对具体设备的危害分析如下: (1)交流发电机。同步电动机及感应电动机在定子绕组和转子绕组产生附加热损耗,热损耗除谐波电流铜损I2nR以外,还由于电流的集肤效应,产生附加损耗,对转子引起热损耗增大。对大型汽轮发电机来说,若发生多次谐波振荡,谐波电流超过额定电流的25%时,由于上述原因可能会导致转子局部过热而损坏。对变压器来说,铁芯产生热损耗,尤其是涡流损耗大,在变压器绕组中有谐波电流,在铁芯中感应磁通,产生铁损。  (2)架空线路谐波电流产生热损,较大的高次谐波电流分量能显著地延缓潜供电流的熄灭,导致单相重合闸失败。电缆中的谐波电流会产生热损,使电缆介损、温升增大。  (3)电力电容器由于谐波电流会引起附加绝缘介质损耗,加快电力电容器绝缘老化。系统谐波电压或电流发生谐振则引起过电压和过电流,对电气设备绝缘损坏,引起噪音与振动。  (4)电子计算机会由于谐波干扰发生失真;工业电子设备功能会因其被破坏。  (5)对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作,造成电能计量的误差。  (6)谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外,还将对相邻通讯线路产生干扰影响。 ◆电力系统抑制谐波的措施  为了把谐波对电力系统的干扰(污染)限制在系统可以接受的范围内,我国和国际上分别颁布了“电力系统谐波管理暂行规定”和IEC标准,明确了各种谐波源产生谐波的极限值。  电力系统抑制谐波的主要措施有: (1)在补偿电容器回路中串联一组电抗器 在未加Xc前,略去电阻,谐波源In母线处的谐波电压为:Un=Xs


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