1、高壓變頻器的諧波分析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(kāi)關(guān)特性，在其輸入和輸岀端都會(huì)產(chǎn)生波形畸變，對(duì)供電線路和負(fù)載電機(jī)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(yīng)用效果的重要參數(shù)之 一。在這一講中，我們將對(duì)這種諧波影響的機(jī)理和消除方法作一介紹。2.1諧波對(duì)供電電源的影響對(duì)供電電源而言，高壓變頻器的開(kāi)關(guān)特性形成一個(gè)非線性負(fù)載。這種非線性負(fù)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(tǒng)中產(chǎn)生有害的高次諧波。這種諧波影響的機(jī)理如圖1所示。圖中，PCC為配電線路的公共供電點(diǎn)，變頻器為連接于該點(diǎn)的諧波源，其諧波電流經(jīng)過(guò)電源內(nèi)阻的耦合作 用，造成PCC點(diǎn)交流電壓的波動(dòng)

2、。此諧波電壓將使連接PCC點(diǎn)上的通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)及其他用電設(shè)備受到干擾，嚴(yán)重時(shí)不能正常工作。又由于電源內(nèi)阻Zs的電阻極小，可忽略不計(jì)，基本上是一個(gè)電抗。當(dāng)電網(wǎng)上接有功率因數(shù)補(bǔ)償器等電容負(fù)載時(shí)，電源電抗有可能和負(fù)載電容形成諧振，這個(gè)諧振頻率接近于諧波源的某個(gè)諧波頻率時(shí)，會(huì)在 PCC點(diǎn)上產(chǎn)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(huì)對(duì)電路中的其他設(shè)備造成有害的影響。2.2 IEEE-519 簡(jiǎn)介為了限制變流裝置對(duì)電力系統(tǒng)的諧波干擾，有利于電力電子裝置的推廣應(yīng)用，世界各國(guó)都相繼制定了有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量。其中最具權(quán)威性的是美國(guó)電氣和電子工程協(xié)會(huì)（IEEE）制

3、定并作為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（ANSI）的IEEE-519 。IEEE-519 在1981年首次頒布，稱為 “ IEEEstd.519-1981關(guān)于靜態(tài)功率變換器的諧波控制和無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹改稀?1992年經(jīng)修訂后又重新發(fā)布了“IEEE std.519- 1992,稱為“IEEE對(duì)電功率系統(tǒng)中諧波控制的要求和推薦標(biāo)準(zhǔn)”。該標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)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(duì)電力系統(tǒng)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(duì)從事大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的工程技術(shù)人員具有指導(dǎo)性的作用。IEEE中用來(lái)判別波形畸變的最主要指標(biāo)是畸波系數(shù)（或諧波系數(shù)）DF:式中Hi為基波的幅

4、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(biāo)準(zhǔn)中常使用的兩個(gè)指標(biāo)有：THD:總諧波畸變 仃otal Harmonic Distor-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(shí)際上，對(duì)同一個(gè)波形而言：THD = DFTDD:總指令值畸變 仃otal Demand Distor-tion），是以最大指令負(fù)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(duì)公共供電點(diǎn)（PCC）處電壓畸變的限制要求：表1可用于正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下（連續(xù)運(yùn)行1小時(shí)以上）最壞情況”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。短期起動(dòng)或非正常條件下，限 制值可超過(guò)50%。另一方面，從前面的

5、分析我們已經(jīng)知道，一個(gè)非線性負(fù)載造成的畸變電壓，還與該負(fù)載的電流在電源阻抗上產(chǎn)生的壓降大小有關(guān)，即與負(fù)載容量的大小有關(guān)。為此引入?yún)?shù)Isc/IL，表示在PCC點(diǎn)上電源短路電流與最大基波負(fù)載電流之比。其中，IL為最大基波指令負(fù)載電流，從以前 12個(gè)月期間最大指令的平均電流計(jì)算 得到。IEEE允許負(fù)載容量較小的用戶引入供電點(diǎn)的諧波電流可以大一些，這有利于合理分配用電和合理設(shè) 計(jì)變流裝置。表2給出了不同Isc/IL值下對(duì)變流設(shè)備諧波的限制。2.3我國(guó)關(guān)于波形畸變限制的規(guī)定我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB12668- 90 “交流電動(dòng)機(jī)半導(dǎo)體變頻調(diào)速裝置總技術(shù)條件”中對(duì)交流輸入電源規(guī)定:電壓的穩(wěn)態(tài)相對(duì)諧波含量的均方根

6、值不超過(guò)10%。其中任何奇次諧波均不超過(guò)5%，任何偶次諧波均不超過(guò) 2%，短時(shí)（持續(xù)時(shí)間小于30秒）出現(xiàn)的任意一次諧波含量不超過(guò)10%。2.4諧波分析用計(jì)算機(jī)的諧波分析程序可計(jì)算高壓變頻器的諧波電流和這些諧波電流電源供電點(diǎn)上產(chǎn)生的電壓波形畸變。如果電源阻抗小，短路容量大，計(jì)算出的總諧波畸變仃HD）小于IEEE 519的規(guī)定，變頻器的投入就不會(huì)對(duì) 供電點(diǎn)上其他用電器帶來(lái)問(wèn)題。如果THD超岀規(guī)定范圍，就必須增加輸入濾波器。設(shè)計(jì)程序可幫助設(shè)計(jì)者選擇濾波器的參數(shù)，直到達(dá)到要求為止。諧波分析需要的輸入數(shù)據(jù)包括：-電源阻抗及輸入變壓器阻抗-變頻器型號(hào)及有關(guān)參數(shù)-電機(jī)型號(hào)、有關(guān)參數(shù)及負(fù)載特性曲線-依據(jù)的波形

7、畸變和功率因數(shù)限制標(biāo)準(zhǔn)以圖2（a）中的SCR電流型變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例，設(shè)變頻器從電網(wǎng)的輸入端為電源的PCC點(diǎn)，以額定容量3750kVA 為基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)電源阻抗為 0.05，變頻器是2400V，1600kW，當(dāng)沒(méi)有濾波器時(shí)可計(jì)算得出其電 流波形（參見(jiàn)圖2（b），和各項(xiàng)諧波分量及總諧波畸變值。數(shù)據(jù)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(guò)IEEE-519 標(biāo)準(zhǔn)的要求。當(dāng)引入圖3（a）所示的濾波器后，仿真計(jì)算表明（參見(jiàn)圖3（b），電流的THD降為7%，電壓的THD降為3%， 均達(dá)到IEEE 519 的標(biāo)準(zhǔn)。2.5諧波對(duì)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)負(fù)載的影響高壓變頻器輸岀電流諧波

8、對(duì)電機(jī)及拖動(dòng)負(fù)載同樣會(huì)造成有害的影響。這種影響既有機(jī)械的、也有電氣的。2.5.1轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)矩分析一般工頻電源供電的電動(dòng)機(jī)，因?yàn)槎ㄗ与妷汉碗娏鞫际菢?biāo)準(zhǔn)的正弦波，不含諧波成分，所以運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無(wú)脈動(dòng)。但當(dāng)由變頻器對(duì)電機(jī)供電時(shí)，如果變頻器輸岀電流中含有諧波成分，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)。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(dòng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生頻率為定子電流基本頻率 6k倍的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。對(duì)一般負(fù)載，這樣大小的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩影響不大。但如果電機(jī)要求在 低速下運(yùn)行(2Hz)時(shí)，有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)速不勻均。對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵等泵類負(fù)載，如果在調(diào)速范圍內(nèi)，某個(gè)機(jī)械 部件的固有振蕩頻率和

9、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的頻率一致的話，該部件將發(fā)生諧振，會(huì)對(duì)設(shè)備造成潛在的損傷并產(chǎn)生噪聲。因此有必要在事先作岀轉(zhuǎn)矩分析，避免上述情況發(fā)生。轉(zhuǎn)矩分析主要對(duì)旋轉(zhuǎn)件進(jìn)行。輸入數(shù)據(jù)包括機(jī)械變量和諧波轉(zhuǎn)矩分量。在作轉(zhuǎn)矩分析之前，先要把變頻器的 輸岀電流、電壓的諧波分量控制到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限度以內(nèi)，必要的話，應(yīng)增加輸岀變壓器或?yàn)V波器。轉(zhuǎn)矩分析 的結(jié)果如果還存在潛在的諧振，就要從機(jī)械上沒(méi)法加以避免。主要可能產(chǎn)生諧振的構(gòu)件有：-帶內(nèi)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(gòu)件的固有振蕩頻率可能較高。可通過(guò)改變連接剛性和增加阻尼來(lái)解決。-風(fēng)機(jī)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(lái)源。可通過(guò)加皮筋和橡皮來(lái)解決。2.5.2諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響變頻器輸岀電流諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響，還表現(xiàn)在噪聲過(guò)大和發(fā)熱超標(biāo)。因此，對(duì)由含有諧波電流供電的電動(dòng)機(jī)，即使諧波達(dá)到了一定標(biāo)準(zhǔn)，也應(yīng)根據(jù)情況，適當(dāng)降額使用”。也就是說(shuō)，電機(jī)不要用足100%的負(fù)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(duì)電流的畸變影響，最根本的方法當(dāng)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(kāi)發(fā)低諧波的高壓變頻器產(chǎn)品。目前，已在產(chǎn)品中得到應(yīng)用的低諧波技術(shù)歸納如下：逆變單元的并聯(lián)多元化采用2個(gè)或多個(gè)逆變單元并聯(lián)，通過(guò)波形移位