变频器技术及应用课程教学设计第六章变频器的谐波及对策.docx

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变频器技术及应用课程教学设计第六章变频器的谐波及对策

第六章变频器的谐波及对策

一、教学目标

1、了解变频器中产生谐波的原因、变频器的危害、抑制谐波的对策、变频器的谐波特性、变频器谐波特性的抑制方法及变频器谐波的测量方法。

2、掌握高压变频器的4种主电路结构、三电平电路、单元串联多电平电路、电流源型交—直—交电路和直接高压二电平电路的谐波状况、国内外谐波的主要标准和基波频率值的确定方法。

3、熟悉易受电磁干扰影响的电气设备、抑制变频器电磁干扰的有效抑制方法、共模干扰与差模干扰的概念和共模干扰的危害与抵制方法。

二、课时分配

本章共5节，安排7课时。

三、教学重点

通过本项目的学习，让学生学习谐波的产生危害以及抑制方法等，初步认识变频器的谐波特性、抑制方法及测量方法，熟悉高压变频器的主电路结构、典型电路的谐波状况以及基波频率值的确定方法，并掌握抑制变频器的电磁干扰方法和共模干扰与差模干扰相关概念及抑制方法。

四、教学难点

1．变频器的谐波特性、抑制方法及测量

2.高压变频器的谐波

五、教学内容

任务一变频器的谐波干扰及对策

阶段一谐波的产生

输入电压是正弦的，输入电流是非正弦的。

输出电压是非正弦（阶梯形）的，输出电流近似正弦（SPWM调制）。

输入、输出都存在非正弦，要产生谐波，尤其是输出，影响较大。

表为各次谐波可达到的百分比

一般变频器出厂的谐波值THD（%）是控制在3%～5%以内的。

阶段二谐波的危害

谐波的危害主要体现在以下几方面：

（1）使电源电压畸变，电压品质下降，造成线损增大。

（2）使电动机发热增大（电流谐波增加铜耗，电压谐波增加铁耗），效率下降，功率因素cosφ减小。

（3）使电动机振动增大，转速产生抖动，不稳定。

（4）使电动机噪声增大。

（5）谐波与电线电容谐振产生过电压，危害绝缘，耐压降低，造成过电压击穿（线路长时更危险）。

（6）对电容器产生过热，增加损耗，以致产生电击穿或热击穿。

（7）使电路三相输入电流不平衡度加大（最大时可差50%的线电流）。

（8）干扰计算机系统正常工作，对电子线路设备造成不稳定工作状态，严重时将无法正常工作，或设置参数波动较大，影响正常使用。

阶段三抑制谐波的对策

1.从设计制造角度

选用IGBT功率器件，应考虑空间电压矢量控制，多相叠加（如六相、十二相），多重化移相，调制过程中参数值的确定等几方面问题。

2.从使用安装角度

采用进线AC电抗器、出线DC电抗器、输出正弦滤波器，不共用地线，分开供电电源（变频器、受干扰电气设备），开关电源供计算机或电子仪器仪表，用隔离变压器供电，出线与进线分开一定距离，进、出线穿金属管并接地，用屏蔽电线并接地，输出用四芯电线（一芯接地），电动机外壳接地，变频器单独接地。

阶段四谐波的标准及限值

国家标准GB12668—1990《变频器标准及产品实验要求》的具体规定如下：

电压畸变≤10%，奇次≤5%，偶次≤2%，短时（≤30s）≤10%。

按实际运行经验，谐波在下列范围内，一般可以正常使用。

（1）对于电动机，谐波值在10%～20%电子开关，但当＞20%时要误动作。

（2）对于仪表，电压畸变＜10%，电流畸变＜10%，这时误差<1%的。

（3）对于计算机，超过5%要产生干扰。

阶段五高压变频器的谐波问题

高压变频器一般是指电压级为3kV、6kV、10kV，功率为300～10000kW的变频器，因其电压高、功率大，谐波问题是更要着重注意的，一旦有干扰，影响更大，危害也更严重。

1992年美国制定了IEEE95标准，具体数值如下：

（1）采用30脉冲变频，可不加任何谐波滤波器就能满足各国供电部门对电压和电流失真最严格的要求。

（2）采用多重化的脉宽调制技术，因而输出波形为非常完美的正弦波。

（3）cosφ≥0.95。

（4）效率：

变频器为98%，系统为96.5%。

（5）噪声：

<75dB。

（6）频率精度：

＜±0.5%。

（7）转矩脉动：

0.1%（0～500Hz）。

（8）是完美无谐波，总电流失真为0.8%，总电压失真为1.2%。

任务二变频器的谐波特性、抑制方法及测量

阶段一变频器的谐波特性

低压变频器的主电路大都选用交—直—交电压源型的，如图所示。

图为交—直—交电压型变频器主电路及输出电流波形

它的输入及输出电压、电流波形如图所示。

图为输入及输出电压、电流波形

输入部分的电压波形是正弦的，因取于电网电源R、S、T，所以是正弦的，但电流波形是非正弦的，因有非线性二极管组成三相桥式整流电路，经电容滤波及二极管的参数离散就造成了非正弦的电流波形。

输出部分的电压（线电压）波形是符合正弦脉宽调制规律（SPWM）的，且幅值相等、宽度不等，其等效后是连续的矩形波，而三相的相电压是阶梯波，如图所示，

图为电压型逆变器的输出电压

总之，变频器输入电流是非正弦的，输出电压是非正弦的，既然有非正弦出现，就存在谐波电流与谐波电压。

图为110kW变频器输入电流各次谐波电流的实测值

在较低频率运行时，谐波造成的电动机发热、无功损耗增大、cosφ中减小的影响更大些；使输出频率高些，比输出频率低的谐波造成的影响要小。

表为电源侧谐波电流实测数

输出侧因电压的非正弦引起谐波电压，对电动机运行是不利的。

对变频器的谐波电压合成总量也有要求，一般为5%~7%。

阶段二交流电抗器LAc

交流电抗器串接于三相的输入电路中，它的滤波效果不是很好，用后能将cosφ提高到0-76~0-85，主要作用如下：

（1）当电压为380V，变压器容量在500kV·A以上或大于变频器容量的10倍时，配电变压器容量及变频器容量与选用交流电抗器盒的关系如图所示。

图为配电变压器容量及变频器容量与选用交流电抗器的关系

（2）电源输出电压三相不平衡且大于3%。

（3）当配电变压器接有如上图所示的配电变压器容量及变频器功率因数补偿电容时，或有容量与选用交流电抗器的关系晶闸管（SCR）整流装置时，对6脉冲整流器，电抗器LAC安装与否的比较如图所示。

LAC电抗值的大小与各次谐波电流的关系如图所示。

从图可知，从LAC对抑制6~19次谐波效果很显著，一般选用时，使电抗器上的电压降大于额定电压的3%为宜。

图为6脉冲整流器安装与未安装电抗器的比较

图为电抗器对谐波的影响

安装LAC后变频器输入侧谐波电流百分值（%）

阶段三直流电抗器LDC

直流电抗器LDC串接于整流桥和滤波电容之间，其结构简单，体积小（单相），滤波效果好，可使cosφ提高到0.95，见表。

变频器主接线配套设备选择

直流电抗器有内置及另配两种方式，装后输入侧谐波电流明显下降，基波电流也增加。

阶段四其他附件

1.降低无线电干扰的零序电抗器FLZ

降低无线电干扰的零序电抗器FLZ可分别装于输入端及输出端，在要求较低时选用。

2.电源滤波器FLT

一般高通式输入CLC滤波电路，电源滤波器FLT是串接于电源端子上的，如图所示。

高通式输出LRC滤波电路，电源滤波器FLT是串接于输出电路中的，如图所示。

图为输入侧电源滤波器

图为变频器输出侧滤波器

3.避雷器FS3-0.38

避雷器的安装位置见上表。

4.电涌吸收器

电涌抑制器是吸收外部电涌或干扰，防止盘内仪器误动作的，也可采用隔离变压器或开关电源。

5.电源配电器

采用电源匹配电感器后，电源改善特性见表。

此装置成本较高，性能较佳，一般装于输入端最前面。

表为采用电源匹配电感后电源改善特性

当LAC与LDC都接入后，输入电流波形明显改善，如图所示。

图为接入电抗器时的输入电流波形

（a）XL小；（b）XL大；（c）带有直流电抗器；（d）接入交流电抗器和直流电抗器时的变频器电路

阶段五变频器的谐波测量

使用电力谐波分析仪或电能质量分析仪，它能及时地反映谐波的频率、相对量值等数字值，再对测量参数进行综合判断，很快就能确定变频器的有关谐波实际量值与标准对比。

电压综合畸变率THD（%）=U25+U27+U211+U213…U1≤5%

电流综合畸变率THD（%）=I25+I27+I211+I213…U1≤3%

阶段六各国谐波管理标准比较

目前，各国对于谐波管理均有一定的管理标准，见表。

各国谐波管理标准比较

任务三高压变频器的谐波

阶段一高压变频器概述

高压变频器是指二次输出是交流l、3、6、10kV电压等级，功率为500～10000kW的变频器，其显著的特点是电压高、功率大。

按使用的重要性、发生故障时的后果严重性、产生较大的经济损失等原因，对高压变频器有较为严格的技术性能要求。

表为制造高压变频器的厂商及产品规格

从表可见，高压变频器的主电路结构不像低压变频器有几乎统一拓扑模式，而是多样化的，其结构经长期应用确认有4种类型，即三电平SPWM、多电平单元串联、电流源型交—交直变和直接高压二电平。

阶段二高压变频器的谐波

高压变频器的谐波分量大小，是衡量经济运行的重要指标之一（还有系统效率η、cosφ等）。

谐波形成的原因见表。

其频谱是基波（1次）,谐波是5，7，11，13，17，19，23，25，29，31，35，37，…次，不存在偶次及3的整数倍次谐波，但主电路结构不同，谐波的次数也是不相同的。

谐波形成的原因

阶段三不同主电路结构的谐波状况

1.三电平电路

三电平电路结构如图所示。

三电平变频器

从图中可知，输入整流（AC/DC）一般选用12脉冲，而且整流变压器二次侧一个为三角形连接，另一个为星形连接，这样形成相位移为30°的电角，对减少输入谐波有利，通过移相后，5、7、9次谐波值很小，不成为主要的分量（与不移相6脉冲相比较），而11次、13次、25次谐波是主要的，但电流合成分量仍较大，可达17%，这样无法使用，所以必须加输出电感滤波器，见表。

结论是增加整流脉冲次数可减少输入侧谐波电流，见表。

不同类型变频器的谐波含量见表。

2.单元串联多电平电路

单元串联多电平电路如图所示，

（a）电压叠加原理（b）主电路结构（c）功率单元结构

3.电流源型交—直—交电路

电流源型交—直—交电路如图所示，电路简单，器件最少，可四象限运行，但只能适用50Hz以下频率运行，整流电路一定要可控式的（SCR或GTO），谐波分量较大，cosφ较低，输入/输出都要接滤波电容器，谐波分布如图（c）所示。

图为电流源型交—直—交电路

（a）6脉冲整流器加谐波滤波器；（b）18脉冲整流器；（c）PWM整流器

4.直接高压二电平电路

直接高压二电平电路如图所示，其采用最新的高压HV-IGBT，利用容性母板技术1+N（只）串联，并较好地解决了动态与静态的均压问题，直接进行高压逆变，无输入、输出变压器（<1200kW，6脉冲），如图（a）所示。

当容量大于等于1200kW时，采用12脉冲，需输入变压器。

输出滤波器都是必须的，它是二电平电路，具有三电平电路的功能，如图（b）所示。

系统效率大于98.5%（在额定负载、转速）时，功率因数cosφ＞0.95，载波频率为0.6~1.2kHz，谐波分量符合IEEE-519—1992标准。

图为直接高压二电平电路

（a）直接高进高出，不要变压器；（b）12脉冲直接高进-高出；（c）6脉冲电路

阶段四谐波的主要标准

1984年水利电力部发布了标准SD126—1984《电力系统谐波管理暂行规定》，1990年GB12326—1990《电能质量、电压允许波动和闪变》发布，1993年GB/T14549—1993《电能质量、公用电网谐波》发布，并符合EU89/336/EEC标准文件，内容相一致，见表。

我国对变频器产品制定了相应国家标准GB12668《变频器标准及产品实验要求》，与IEEE519—1992标准基本一致（IEC为国际电工委员会），见表。

阶段五基波频率值的确定

高压变频器一次侧直接接于电网，因此基波是50Hz，然而二次侧的电压是通过变频器的，且线电压为狭长矩形波，相电压为阶梯波，变频器二次侧的基波频率，就是变频器的工作频率，且是变动的。

任务四抑制变频器电磁干扰的有效方法

阶段一变频器的电磁干扰

变频器产生的电磁干扰能量主要是经电动机电缆线、电源线、接地线的传导向外传播的。

易受电磁干扰影响的电气设备主要有以下几类：

（1）弱信号模拟测量电路，如热电偶、热敏电阻、应变片等。

（2）模拟测量电路电流虽大于Iv，但当引线较长或要求分辨率达01%时。

（3）频带较宽的模拟信号电路，如音频电器等。

（4）视频电路，如闭路电视、计算机显示器等。

（5）数据传输线未加屏蔽或布线不适当时（但一般RS232、RS485通信及Ethernet网都有良好的抗干扰性）。

（6）采用高频振荡器的接近传感器，尤其是电容类型的。

（7）无线电通信设备。

阶段二有效抑制方法

1.一般措施

（1）信号线。

一般有以下规则：

当两者平行长度大于1m时，信号线与电源线的距离小于300mm；当平行长度为1～10m时，两者距离大于300mm；信号线与变频器的距离至少为300mm。

如果距离过近，应采用屏蔽信号线，但不包括与变频器相接的信号线。

（2）接地。

变频器控制柜应装有公共接地母线，如图所示。

图为变频器柜及公共母线

（3）电源滤波器。

一般情况下，变频器可以不装电源滤波器。

但当供电电路中接有其他易受电磁干扰设备或屏蔽的电动机电缆长度超过40m或非屏蔽的电动机电缆长度超过10m，造成电源线中电磁波干扰电压增高时，应装电源滤波器。

图为低成本抑制电磁干扰的方法

2.强化措施

（1）降低载波频率。

电磁干扰强度与逆变电路的载波频率成正比。

国内载波频率为2～6kHz，国外可达10～15kHz。

变频器与电动机距离及选用载波频率见表。

表为变频器与电动机距离及选用载波频率

（2）屏蔽电动机电缆。

用四芯电缆一芯接地或屏蔽电缆（铠装）或输出电缆穿铁管并接地，但屏蔽层应分别接变频器和电动机的接地端且两端都要接地。

（3）对电磁干扰非常敏感装置所采用的措施。

一般情况下，在距离变频器10m处能无干扰，小于这个距离或对很微弱信号仍可能有影响时，可采取以下措施。

①除安装制造厂提供的符合标准的滤波器外，也可选用由两级LC电路构成的滤波器，这对抑制100kHz~300MHz范围内的电磁干扰更有效果。

②变频器单独电源供电，对特别敏感装置的设备可采用加一个隔离变压器或开关电源的供电方式。

任务五共模及差模干扰

共模干扰是指L1、L2、L3任一相对大地或中性线对大地之间干扰。

其具有同方向性，产生于同一条电源线，衰减小，影响大。

共模干扰电压的抑制方法如下：

（1）可增设共模扼流电抗，增加电路阻抗。

（2）在串联谐振电路中，插入阻尼电阻，成为共模变压器CMT。

（3）用EMI滤波器对变频器输出滤波器分流。

（4）用共模电压分压方式。

（5）利用滤波器产生与漏电流相位相反的电流，将其抵消。

（6）利用有源噪声消除器（ACC），产生反相位电压去抵消。

（7）使用隔离变压器。

（8）使用电源滤波器。

（9）使用不间断电源UPS或EPS。

（10）用开关电源等来减小甚至抵消共模电压，以减小其造成的影响程度。

（11）采用绝缘型轴承。

（12）单独保护接地。

六、课后作业

完成本章习题。