變頻器諧波問題干擾范圍及處理方法

1、 頻 器 常 見 諧 波 問 題 以 及 解 決 方 法 變頻器常見諧波問題以及解決方法 在現(xiàn)代化港口、礦井、運輸港的建設(shè)中，變頻軟啟動漸漸替代機 械軟啟動，如常規(guī)液力耦合器，CST 夜力軟啟動，成為市場主流， 其主要原因為可控性高，精度強。 變頻器在使用過程中也會相應(yīng)的出現(xiàn)白己的問題，重點介紹下在 現(xiàn)場安裝中變頻器諧波問題以及處理方法。 就礦井使用的變頻器而言，非下運皮帶大都使用二象限的，因不 需要對電網(wǎng)進行電能反應(yīng)，下運皮帶在運行以后對電網(wǎng)進行電能反 饋，既逆向輸送電力，而非使用電力， 四象限變頻器就是除了正反 轉(zhuǎn)外還能控制，實現(xiàn)能量反應(yīng)回電網(wǎng)的 變頻器。2象限指的就是普 通的控制速度的變

2、頻器。內(nèi)部除了控制方式不同外，硬件方面主要 就是 4個象限變頻器整流和 逆變電路都使用可雙向?qū)ǖ陌雽?dǎo)體元 件，一般是 IGBT。而 2象限的整流局部一般是晶閘管或二極管。 而就諧波問題而言，問題重點出現(xiàn)在四象限變頻器，因產(chǎn)生的奇 數(shù)次諧波較強，且干擾問題嚴重， 頻器正常工作中，由于變頻器高 次諧波的影響引發(fā)控制電路發(fā)生串聯(lián)諧振，造成系統(tǒng)電源故障，就 功率等級而言，75KW 以上四象限變頻器因考慮進行諧波治理，而二 象限變頻功率在100KW以下可以進行常規(guī)處理即可。 在變頻器使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)誤指示、亂碼等情況 ；變頻器停 止工作時系統(tǒng)完全恢復(fù)正常。 很明顯這是由于變頻器高次諧波分量對電源的

3、干擾造成的，通常, 對此最為行之有效的方法就是對控制電路的供電電源加裝電源濾波 器。 在加裝市售的通用電源濾波器后，系統(tǒng)恢復(fù)了正常，但是隨之又 有新的問題出現(xiàn)了，控制電路中的熔斷器頻繁熔斷。停電后對電路 進行檢查， 經(jīng)現(xiàn)場詳細觀察發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)逐漸升速過程中，變頻器 運行輸出在某個頻段之間時頻繁發(fā)生短路故障。而且，將變頻器的 負載電動機斷開后，該故障現(xiàn)象仍頻繁出現(xiàn)，在去掉電源濾波器 后該故障消失。因此，首先對該濾波器進行了檢查，拆開后發(fā)現(xiàn)濾 波器采用的是常見的兀型濾波。 檢查發(fā)現(xiàn)電源濾波器本身沒有任何故障，進一步分析變頻器的 工作原理可知，在交-直-交型變頻器中，電網(wǎng)通過三相整流橋給變 頻器供電

4、，供電電流利用傅立葉級數(shù)可以分解為包含基波和 6K士 1 次諧波(K=1, 2, 3,)分量等一系列諧波分量，諧波含量隨進線電抗 和和直流濾波電抗的電感量增加而減少。 具有關(guān)資料介紹，通常情況下，加電抗器后五次諧波、七次諧波、 H一次諧波和十三次諧波仍然占到 40% 35% 25 唬日 20茲右。由于 電路參數(shù)頻率特性的影響，在 n次諧波所作用下電感的感抗為，電 容的容抗為，整個電源濾波器的等效復(fù)阻抗；其中是濾波器的等效感 抗，是濾波器的等效容抗。如果在 k次諧波的作用下，濾波器在該 次諧波下的等效感抗的值與等效容抗的值相等，可知此時電路在該 頻率下的等效復(fù)阻抗，即電路處于諧振狀態(tài)。由于此時

5、R僅是線路 電阻，其值是非常小的，可以近似的認為，即電路在該次諧波的作 用下處于處于短路狀態(tài)。依據(jù)上述分析，可以得出結(jié)論：該電源短 路故障是由于變頻器輸出的高次諧波分量造成電源濾波器發(fā)生串聯(lián) 諧振引起的。通常情況下，如果引起諧振的諧波分量不是足夠大， 是不應(yīng)引起短路故障的，但是當(dāng)其短路電流的有效值超過系統(tǒng)熔斷 器保護范圍時，就會造成短路故障，采用該類電源濾波方式就不十 分適宜了。 分析清楚故障原因后，針對工控系統(tǒng)干擾源的主要來源途徑即電 源的干擾、過程通道的干擾及空間電磁干擾 等，對控制顯示系統(tǒng)采 取了進一步的防干擾措施。首先，針對前述系統(tǒng)的故障狀態(tài)，采用 大電容替代原來的電源濾波器進行濾波，

6、有效的解決了控制系統(tǒng)電 源系統(tǒng)的干擾問題。但是，必須著重指出的是在變頻器的輸出側(cè)， 絕對禁止采用電容器來吸收高次諧波，以防止在逆變管導(dǎo)通瞬間， 出現(xiàn)峰值很大的充電或放電電流，造成逆變管的損壞 ；其次，由于用 戶要求液位指示器與變頻器的相對位置不能改變，在不能使液位指 示器遠離變頻器的情況下，將液位指示器進行了嚴格的金屬屏蔽， 而且信號屏蔽線、金屬屏蔽層進行了嚴格的單獨接地與系統(tǒng)工作及 平安接地分開，信號線與電源線空間位置相對垂直，有效的防止了 空間的電磁干擾的竄入。 變頻器配套用的各類電抗器的作用和容量選擇等問題也是十分 必要的， 變頻器配套用的電抗器有 3種： 一、 進線電抗器 LA1 又稱

7、電源協(xié)調(diào)電抗器，它能夠限制電網(wǎng)電壓突 變和操作過電壓引起的電流沖擊，有效地保護變頻器和改善其功率 因數(shù)。接入與未接入進線電抗器時，變頻器輸入電網(wǎng)諧波電流的情 況。 二、 直流電抗器 LDC直流電抗器接在變頻系統(tǒng)的直流整流環(huán)節(jié)與逆 變環(huán)節(jié)之間，LDCIE使逆變環(huán)節(jié)運行更穩(wěn)定，及改善變頻器的功率 因數(shù)。 三、 輸出電抗器 LA2 接在變頻器輸出端與負載電機之間，起到 抑制變頻器噪聲的作用。 1. 需要安裝進線電抗器的場合 如下： 進線電抗器既能阻止來白電網(wǎng)的干擾，又能減少整流單元產(chǎn)生的諧 波電流對電網(wǎng)的污染，當(dāng)電源容量很大時，更要防止各種過電壓引 起的電流沖擊，因為它們對變頻器內(nèi)整流二極管和濾波電

8、容器都是 有害的。因此接入進線電抗器，對改善變頻器的運行狀況是有好處 的。根據(jù)運行經(jīng)驗，在以下場合一定要安裝進線電抗器，才能保證 變頻器可靠的運行。 1 電源容量為 600kVA及以上，且變頻器安裝位置離大容量電源在 10m以內(nèi)，如圖 3所示： 2 三相電源電壓不平衡率大于 3%,電源電壓不平衡率 K按式1 計算 3 其它晶閘管變流器與變頻器共用同一進線電源，或進線電源端接 有通過開關(guān)切換以調(diào)整功率因數(shù)的電容器裝置。 進線電抗器容量的選擇 進線電抗器的容量可按預(yù)期在電抗器每相繞組上的壓降來決定。一 般選擇壓降為網(wǎng)側(cè)相電壓的 2% 4%。 電感量 L的計算公式如式2所示：UV 效值V ； U 電

9、抗器額定電壓降V ; In- 電抗器額 定電流A ; f電網(wǎng)頻率Hz。 進線電抗器壓降不宜取得過大，壓降過大會影響電機轉(zhuǎn)矩。一般情 況下選取進線電壓的 4% 8.8V已足夠，在較大容量的變頻器中如 75kW似上可選用 10V壓降。 三相交流進線電抗器的設(shè)計計算 中選定了電抗器的額定電壓降 UL 再計算出電抗器的額定工作電 流 In以后，就可以計算電抗器的感抗 XL。電抗器的感抗 XL由式 (3) 求得： XL= UL/In( Q )(3) 有了以上數(shù)據(jù)便可以對電抗器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。 電抗器鐵芯截面積 S與電抗器壓降 UL的關(guān)系，如式(4)所示: 式中： U -一單位 V; f 電源頻率(Hz)

10、; B磁通密度 (T) ; N電抗器的線圈圈數(shù)；Ks鐵芯迭片系數(shù)取 Ks=0.93。 電抗器鐵芯窗口面積 A與電流 In及線圈圈數(shù) N的關(guān)系如式(5)所 示： A=InN/(jKA)(5) 式中：j 電流密度，根據(jù)容量大小可按 2 2.5A/mm2選??；KA 窗口填充系數(shù)，約為 0.4 0.5。 鐵芯截面積與窗口面積的乘積關(guān)系如式(6)所 示：SA=UI/(4.44fBjKsKA X 10-4) (6) 由式(6)可知，根據(jù)電抗器的容量 UI(= ULIn)值，選用適當(dāng)?shù)蔫F芯 使截面積 SA的積能符合式(6)的關(guān)系。 假設(shè)選用 B=0.6T, j=200A/cm2, Ks=0.93, KA=0

11、.45,設(shè) A=1.5S，那么 電抗器鐵芯截面與容量的關(guān)系為： 為了使進線電抗器有較好的線性度，在鐵芯中應(yīng)有適當(dāng)?shù)臍庀丁Ｕ{(diào) 整氣隙，可以改變電感量。氣隙大小可先選定在 2 5mnft，通過實 測電感值進行調(diào)整。 2. 在有直流環(huán)節(jié)的變頻系統(tǒng)中，在整流器后接入直流電抗器可以 有效地改善功率因數(shù)，配合得當(dāng)可以將功率因數(shù)提高到 0.95,另外, 直流電抗器能使逆變器運行穩(wěn)定，并能限制短路電流，所以很多廠 家生產(chǎn)的 55k上的變頻器都隨機供給直流電抗器。 3. 輸出電抗器的主要作用是補償長線分布電容的影響，并能抑制 變頻器輸出的諧波，起到減小變頻器噪聲的作用。 電抗器電感量的測定 直流電抗器 LDC電

12、感量的測定 鐵芯電抗器的電感量和它的工作狀況有很大關(guān)系，而且是呈非線性 的，所以應(yīng)盡可能使電抗器處于實際工作條件下進行測量。圖 4所 示是測量直流電抗器的電路。在電抗器上分別加上直流電流 Id與交 流電流 I，用電容 C=20V F隔開交直流電路，測出 LDC兩端的交 流電壓 U與交流電流 I，可由式9、式10式近似計算電 感值 L。 交流電抗器電感量的測定 帶鐵芯的交流電抗器的電感量不宜用電橋測量，因為測電感電橋的 電源頻率一般是采用 1000Hz,因此測電感電橋只可用于測量空心電 抗器. 對于用硅鋼片疊制而成的交流電抗器，電感量的測量可用工頻電源 的交流電壓表一一電流表法測量，如圖 5所示

13、。通過電抗器的電流 可以略小于額定值，為求準確可以用電橋測量電抗器線圈內(nèi)阻 rL, 每相電感值可按式11計算： 式中：U交流電壓表的讀數(shù)V ; I 交流電流表的讀數(shù) A ; rL 電抗器每相線圈電阻Q 。 由于電抗器線圈內(nèi)阻 rL很小，在工程計算中常可忽略。 與變頻器配套的的三種電抗器對變頻器系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行有相 當(dāng)大的作用，其中以進線電抗器作用最大，它能有效地保護整流逆 變系統(tǒng)免遭過電壓和浪涌電流的沖擊，并能提高變頻系統(tǒng)的功率因 數(shù)，國產(chǎn)電抗器質(zhì)量良好，造價低廉，值得推廣應(yīng)用。 電力系統(tǒng)中所采取的電抗器 常見的有串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電抗器。串 聯(lián)電抗器主要用來限制短路電流，也有在濾波器中與電

14、容器串聯(lián)或 并聯(lián)用來限制電網(wǎng)中的高次諧波。 220kV、110kV、35kV、10kV電 網(wǎng)中的電抗器是用來吸收電纜線路的充電容性無功的?？梢酝ㄟ^調(diào) 整并聯(lián)電抗器的數(shù)量來調(diào)整運行電壓。超高壓并聯(lián)電抗器有改善電 力系統(tǒng)無功功率有關(guān)運行狀況的多種功能，主要包括： (1) 輕空載或輕負荷線路上的電容效應(yīng)，以降低工頻暫態(tài)過電 壓。 (2) 改善長輸電線路上的電壓分布。 (3) 使輕負荷時線路中的無功功率盡可能就地平衡，防止無功功率 不合理流動 同時也減輕了線路上的功率損失。 (4) 在大機組與系統(tǒng)并列時 降低高壓母線上工頻穩(wěn)態(tài)電壓，便于 發(fā)電機同期并列。 (5) 防止發(fā)電機帶長線路可能出現(xiàn)的白勵磁諧振

15、現(xiàn)象。 (6) 當(dāng)采用電抗器中性點經(jīng)小電抗接地裝置時，還可用小電抗器補 償線路相間及相地電容，以加速潛供電流白動熄滅，便于采用。 電抗器的接線分串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式。串聯(lián)電抗器通常起限流作 用，并聯(lián)電抗器經(jīng)常用于無功補償。 在直流輸電系統(tǒng)的直流電抗器： 直流電抗器作用是將疊加在直流電流上的交流分量限定在某一規(guī)定 值。濾波電抗器，又稱直流平波電抗器，用于變流器的直流側(cè)，電 抗器中流過的是具有交流分量的直流電流。它的作用是將疊加在直 流電流上的交流分量限定在某一規(guī)定值。還用于并聯(lián)變流器的直流 側(cè)對耦，降低斷續(xù)極限，限制環(huán)流線路中的環(huán)流，以為應(yīng)用直流快 速開關(guān)切斷故障電流時限制電流上升率還被用在電流，電壓型變頻 器中間回路的直流平波，這可用于整流電源平波，以消除紋波。減 小電流脈動值，改善輸入功率因數(shù)。 直流電本身并不存在電抗器。所謂“直流電抗器，是指帶有直 流成份的交流電，如整流器后邊接的 LC 濾波電路。由于直流局部很 容易使鐵芯電感產(chǎn)生磁飽和，使電感失去感抗，所以鐵芯的磁回路 中，都要開空氣隙，以增大磁阻，防止磁飽和的發(fā)生。 綜上所述，在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計中，系統(tǒng)本身抗干擾的設(shè) 計固然是很重要的；與此同時，必須充分考慮變頻器本身對于