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变频器谐波

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  • 发布时间:2013/9/23 11:08:10
  • 作者:银河电气

变频器谐波定义

  变频器谐波是变频器运行过程中,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; 变频器谐波对供电系统、负载及其他邻近电气设备产生干扰。

变频器谐波产生机理

01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。

02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各次谐波。

变频器谐波特性

  1、变频器谐波有功功率是由非线性负荷产生;

  2、变频器谐波有功方向与基波有功方向相反,即由用户端送入电网;

  3、对于变频器谐波源用户而言,其计量入口处的总有功将是基波有功和谐波有功之代数和(实为相减);

  4、非线性负荷在其工作过程中将基波的部分功率转变成谐波有功,谐波有功将在网络内流动,并在各输配电元件和其他设备中产生损耗和干扰;

变频器谐波危害

  通常来讲,变频器谐波对容量相对较大的电力系统影响不很明显;而对容量小的电力系统,变频器谐波产生的干扰就不可忽视,它对公用电网是一种污染。

  变频器谐波污染对电力系统的危害是严重的,主要表现在以下几个方面:

01变频器谐波降低电力设备使用寿命

  如变频器电流谐波将会使变压器的铜损增加。变频器电压谐波将增加铁损,使其温度上升,影响绝缘能力,并造成容量裕度减小。同时变频器谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振。

02变频器谐波影响各电器元件正常工作

  变频器输出谐波对电动机的影响有:电机附加发热使电机额外升温;产生机械震动、噪音及过电流。变频器谐波会使电力电容发生过载、过热甚至损坏电容器。当电容器与线路阻抗达到共振时会发生振动、短路、过电流及产生噪声。变频器谐波电流会使开关设备在启动瞬间产生很高的电流变化率,破坏绝缘。

03变频器谐波的其它危害

  变频器谐波将使继电保护和自动装置出现误动作,并使仪表和电能计量出现较大误差;变频器谐波对其他系统及电力用户危害也很大:如对附近的通信系统产生干扰,轻者出现噪声,降低通信质量,重者丢失信息,使通信系统无法正常工作;影响电子设备工作精度,使精密机械加工的产品质量降低;设备寿命缩短,家用电器工况变坏等。

变频器谐波测量

  假设SPWM波的载波频率为fc,基波频率为fs,fc/fs称为载波比N,对于三相变频器,当N为3的整数倍时,输出不含3次谐波及3的整数倍谐波。且谐波集中载波频率整数倍附近,即谐波次数为:kfc±mfs,k和m为整数。

  下图是基波频率fs=50Hz,载波频率fc=3kHz,调制比为0.8的SPWM的波形及频谱的Matlab仿真图。

SPWM的波形及频谱的Matlab仿真图

  图中58次谐波和60次谐波的幅值分别为27.8%和27.7%,含量最大的谐波为119次和121次谐波,谐波幅值分别为39.1%和39.3%。即最大谐波在两倍载波频率附近。

  随着谐波频率的升高,谐波幅值整体呈现下降趋势,按照GB/T22670变频器供电三相笼型感应电动机试验方法的规定,变频电量变送器的带宽应该在载波频率的6倍以上,当载波频率为3kHz时,带宽至少为18kHz,实际使用建议采用30kHz以上带宽的变频功率传感器变频功率分析仪。 

 WP4000变频功率分析仪

用于变频器谐波测量的WP4000变频功率分析仪

  实际的SPWM波,其载波比不一定为整数,此时,为了降低频谱泄露,可适当增加傅里叶窗口长度,对多个基波周期的PWM进行傅里叶变换(FFT或DFT)。

变频器谐波治理

  治理变频器谐波问题,抑制辐射干扰和供电系统干扰,可采取屏蔽、隔离、接地等技术手段。

01安装适当的电抗器

  在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器,吸收谐波和增大电源或负载的阻抗,达到抑制谐波的目的,以减少传输过程中的电磁辐射。通过抑制谐波电流,将功率因数由原来的(0.5-0.6)提高至(0.75-0.85);

02电源隔离或安装隔离变压器

  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;

03避免干扰辐射

  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;

04变频器正确的接地

  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;

05缩短线路长度

  缩短线路长度,电源线和信号线单独敷设,避免交叉,不能避免时,必须垂直交叉,绝对不能平等敷设,信号线屏蔽层不接到电机或变频器的地,而应该接到控制线路的公共端;

06安装EMI电源滤波器

  当前抑制变频器谐波的一个重要趋势是采用EMI电源滤波器,它串联或是并联于主电路中,实时从补偿对象中检测出变频器谐波电流,由补偿装置产生一个与该变频器谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流,从而使电网电流只含基波电流。EMI电源滤波器能对频率和幅值都变化的变频器谐波进行跟踪补偿,其特性不受系统的影响,无谐波放大的危险,因而获得了广泛的应用。

 



扩展阅读:

  变频器谐波分析关键技术
作者:hb_yinhe
湖南银河电气有限公司(http://www.vfe.cc/

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