变频器是工业调速传动领域中应用较为广泛的设备,由于变频器逆变电路的开关特性,对其供电电源形成了一个典型的非线性负载。变频器在现场通常与其它设备同时运行,例如计算机和传感器,这些设备常常安装得很近,这样可能会造成相互影响。因此,以变频器为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源之一,电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术自身发展的重大障碍。
1 相关的定义
1．1 什么是谐波
谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数,根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明,任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波,每个谐波都具有不同的频率,幅度与相角。谐波可以I区分为偶次与奇次性,第3、5、7次编号的为奇次谐波,而2、1 4,6、8等为偶次谐波,如基波为50Hz时,2次谐波为lOOHz,3次谐波则是150Hz。一般地讲,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中, 由于对称关系,偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在。对于三相整流负载,出现的谐波电流是6n±1次谐波,例如5、7,11、13、17、19等,变频器主要产生5、7次谐波。谐波定义示意图如图1所示。
1．2 谐波治理的有关标准
变频器谐波治理应注意下面几个标准,抗干扰标准:EN50082-1、-2,EN61800-3:辐射标准:EN5008l-1、-2,EN61800-3。特别是IECl0003、 IECl800-3(EN61800-3)、IEC555(EN60555)和IEEE519-1992。
普通的抗干扰标准EN50081和EN50082以及针对变频器的标准EN61800(1ECl800-3)定义了设备在不同的环境中运行时的辐射及抗干扰的水平。上述标准定义了在不同环境条件下的可接受辐射等级:L级,无辐射限制。适用于在不受干扰的环境下使用变频器的用户和自己处理辐射限制的用户。 H级,根据EN61800-3确定的限制,第一环境:有限制分布,和第二环境。作为选件RFI滤波器,配置RFI滤波器可以使变频器达到商业级,通常用于非工业的环境。有关谐波治理的EMC标准示意图如表1所示。
2 谐波的治理措施
治理谐波问题,抑制辐射干扰和供电系统干扰,可采取 屏蔽,隔离,接地及滤波等技术手段。①使用无源滤波器或有源滤波器: ②增加变压器的容量,减少回路的阻抗及切断 传输线路法； ③使用无谐波污染的绿色变频器。
2．1 使用无源滤波器或有源滤波器
使用无源滤波器其主要是改变在特殊频率下电源的阻抗,适用于稳定、不改变的系统。而使用有源滤波器主要是用于补偿非线性负载。
传统的方式多选用无源滤波器,无源滤波器出现最早,因其结构简单、投资少、运行可靠性较高以及运行费用较低,至今仍是谐波抑制的主要手段。LC滤波器是传统的无源谐波抑制装置,它由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成,与谐波源并联,除具有滤波作用外,还有无功补偿的作用。这种装置存在一些较难克服的缺点,主要是容易过载,在过载时会被烧损,可能造成功率因数过引、偿而被罚款；另外,无源滤波器不能受控,因此随着时间的推移,配件老化或电网负载的变动,会使谐振频率发生改变,滤波效果下降。更重要的是无源滤波器只能过滤一种谐波成份(如有的滤波器只能滤除三次谐波),如果过滤不同的谐波频率,则要分别用不同的滤波器,增加设备投资。
国内外有多种有源滤波器,这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的影响。有源电力滤波器(APF)理论在20世纪60年代形成,后来着大中功率全控型半导体器件的成熟,脉冲宽度调制(PWM)控制技术的进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出,有源电力滤波器得以迅速发展。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流,由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流频谱,以抵消原线路谐波源所产生的谐波,从而使电网电流只含有基波分量。其中核心部分是谐波电流发生器与控制系统,即其工作靠数字信号处理(DSP)技术控制快速绝缘双极晶体管(1GBT)来完成。
目前,在具体的谐波治理方面,出现了无源滤波器(LC滤波器)与有源滤波器互补混合使用的方式,充分发挥LC滤波器结构简单、易实现、成本低,有源电力滤波器补偿性能好的优点,克服有源电力滤波器容量大、成本高的缺点,两者结合使用,从而使整个系统获得良好的性能。
2．2 减少回路的阻抗及切断传输线路法
谐波产生的根本原因是由于使用了非线性负载,因此,解决的根本办法是把产生谐波的负载的供电线路和对谐波敏感的负载的供电线路分开(如图2所示)。由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降,而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其它负载,引起谐波电流在其上流过(如图3 所示)。因此,减少谐波危害的措施也可从加大电缆截面积,减少回路的阻抗方式来实现。目前,国内较多采用提高变压器容量,增大电缆截面积,特别是加大中性线电缆截面,以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件等办法,但此种方式不能从根本上消除谐波,反而降低了保护特性与功能,又加大了投资,增加供电系统的隐患。从图2中可知,可以将线性负载与非线性负载从同一电源
接口点(PCC)就开始分别的电路供电,这样可以使由非线性负载产生的畸变电压不会传导到线性负载上去。这是目前治理谐波问题较为理想的解决方案。
2．3 使用无谐波污染的绿色变频器
绿色变频器的品质标准是:输入和输出电流都是正弦波,输入功率因数可控,带任何负载时都能使功率因数为1,可获得工频上下任意可控的输出频率。变频器内置的交流电抗器,它能很好的抑制谐波,同时可以保护整流桥不受电源电压瞬间尖波的影响,实践表明,不带电抗器的谐波电流明显高于带电抗器产生的谐波电流。为了减少谐波污染造成的干扰,在变频器的输出回路安装噪声滤波器。并且在变频器允许的情况,降低变频器的载波频率。另外,在大功率变频器中,通常使用 12脉冲或18脉冲整流,这样在电源中,通过消除最低次谐波来减少谐波含量。例如12脉冲,最低的谐波是11次、13次、23次、25次谐波。依次类推,对于18脉冲,最低的谐波是17次和19 次谐波。
变频器中应用的低谐波技术可,归纳如下:①逆变单元的并联多重化,采用2个或多个逆变单元并联,通过波形叠加抵消谐波分量。②整流电路的多重化,在 PWM变频器中采用121脉冲、18脉冲或者24脉冲的整流,以减少谐波。③逆变单元的串联多重化,采用30脉冲的串联逆变单元多重化线路,其谐波可减少到很小。 ④ 采用新的变频调制方法,如电压矢量的菱形调制等。目前,许多变频器制造厂商已非常重视谐波问题,在设计时已从技术手段上保证了变频器的绿色化,从而在根本上解决谐波问题。
3 结论
综上所述,可以清楚地了解谐波产生的原因,在具体治理上可采用无源滤波器、有源滤波器,减少回路阻抗,切断谐波传输路径及开发使用无谐波污染的绿色变频器等方法,将变频器产生的谐波控制在最小范围内,达到科学合理用电,抑制电网污染,提高电源质量
