由于目前的变频器几乎都采用PWM控制方式,这样的脉冲调制形式使得变频器运行时在电源 侧产生高次谐波电流,并造成电压波形畸变,对电源系统产生严重影响。 随着电力电子技术的飞速发展,各种新型用电设备越来越多地问世和使用,高次谐波的影响越来越严重。电力系统受到谐波污染后,轻则影响系统的运行效率,重则损坏设备以至危害电力系统的安全运行。以前,电力系统考核电能质量的主要指标是电压的幅值和频率,现在世界各国都把电网电压正谐波形畸变率极限值作为电能质量考核指标之一,正确认识谐波已成为电力工作者的重要任务之一。因此,研究和分析谐波产生的原因、危害和抑制谐波的措施具有重要的实际意义。
由于目前的变频器几乎都采用PWM控制方式,这样的脉冲调制形式使得变频器运行时在电源 侧产生高次谐波电流,并造成电压波形畸变,对电源系统产生严重影响。
随着电力电子技术的飞速发展,各种新型用电设备越来越多地问世和使用,高次谐波的影响越来越严重。电力系统受到谐波污染后,轻则影响系统的运行效率,重则损坏设备以至危害电力系统的安全运行。以前,电力系统考核电能质量的主要指标是电压的幅值和频率,现在世界各国都把电网电压正谐波形畸变率极限值作为电能质量考核指标之一,正确认识谐波已成为电力工作者的重要任务之一。因此,研究和分析谐波产生的原因、危害和抑制谐波的措施具有重要的实际意义。
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谐波产生的原因
在供电系统中谐波的发生主要是由两大因素造成的:
(1)可控硅整流装置和调压装置等的广泛使用,晶闸管在大量家用电器中的普通采用以及各种非线性负荷的增加导致波形畸变。
(2)设备设计思想的改变。过去倾向于采用在额定情况以下工作或裕量较大的设计。现在为了竞争,对电工设备倾向于采用在临界情况下的设计。例如有些设计为了节省材料使磁性材料工作在磁化曲线的深饱和区段,而在这些区段内运行会导致激磁材料波形严重畸变。
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谐波对电力系统的危害
谐波对电力系统的污染日益严重,谐波源的注入使电网谐波电流、谐波电压增加,其危害波及全网,对各种电气设备都有不同程度的影响和危害。现将对具体设备的危害分析如下:
(1)交流发电机。同步电动机及感应电动机在定子绕组和转子绕组产生附加热损耗,热损耗除谐波电流铜损I2nR以外,还由于电流的集肤效应,产生附加损耗,对转子引起热损耗增大。对大型汽轮发电机来说,若发生多次谐波振荡,谐波电流超过额定电流的25%时,由于上述原因可能会导致转子局部过热而损坏。对变压器来说,铁芯产生热损耗,尤其是涡流损耗大,在变压器绕组中有谐波电流,在铁芯中感应磁通,产生铁损。
(2)架空线路谐波电流产生热损,较大的高次谐波电流分量能显著地延缓潜供电流的熄灭,导致单相重合闸失败。电缆中的谐波电流会产生热损,使电缆介损、温升增大。
(3)电力电容器由于谐波电流会引起附加绝缘介质损耗,加快电力电容器绝缘老化。系统谐波电压或电流发生谐振则引起过电压和过电流,对电气设备绝缘损坏,引起噪音与振动。
(4)电子计算机会由于谐波干扰发生失真;工业电子设备功能会因其被破坏。
(5)对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作,造成电能计量的误差。
(6)谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外,还将对相邻通讯线路产生干扰影响。
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电力系统抑制谐波的措施
为了把谐波对电力系统的干扰(污染)限制在系统可以接受的范围内,我国和国际上分别颁布了“电力系统谐波管理暂行规定”和IEC标准,明确了各种谐波源产生谐波的极限值。
电力系统抑制谐波的主要措施有:
(1)在补偿电容器回路中串联一组电抗器
在未加Xc前,略去电阻,谐波源In母线处的谐波电压为:Un=Xsn•In;并联了补偿电容器后,则谐波源的输入谐波电抗为:此时谐波电压,注入系统的谐波电流Un,Isn>In.即并联电容器使系统的谐波被放大了。如果对应某次谐波有Xsn-Xcn=0即发生谐波,则其谐波电流、电压都趋于无穷大。为了摆脱这一谐振点,通常在电容器支路串接电抗器,其感抗值的选择应使在可能产生的任何谐波下,均使电容器回路的总电抗为感抗而不是容抗,从根本上消除了产生谐波的可能性。
(2)装设由电容、电感及电阻组成的单调谐滤波器和高通滤波器
单调谐滤波器是针对某个特定次数的谐波而设计的滤波器,高通滤波器是为了吸收若干较高次谐波的滤波器。应装设的滤波器类型、组数及其调谐频率(滤波次数)可由具体计算决定。
如电力机车是大功率单相整流装置,它有谐波问题,根据实测资料,韶山-1型机车电流的谐波含有率大致如表1,影响电力机车注入电力系统谐波电流的因素很多,接触网是影响因素之一,图中Zsn为电力系统的谐波阻抗,供电臂全长为L,臂上只有一辆电力机车,位于离变电所l处。
设接触网单位长度的n次谐波阻抗、导纳分别为Zn、Yn,则其n次谐波特征阻抗Zcn和传播常数γn
可见一般接触网对机车谐波电流起到放大作用,当机车处于供电臂末端(l=L时)放大作用最大。解决牵引机车的谐波问题,一般方法是在牵引变电所装设3、5、7各次滤波器。近年新投运的部分电力机车改用车载分次滤波器的方式,滤除3、5次谐波效果很好。
(3)增加整流相数
高次谐波电流与整流相数密切相关,即相数增多,高次谐波的最低次数变高,则谐波电流幅值变小。一般可控硅整流装置多为6相,为了降低高次谐波电流,可以改用12相或36相。当采用12相整流时,高次谐波电流只约占全电流的1%,危害性大大降低。
(4)当两台以上整流变压器由同一段母线供电时,可将整流变压器一次侧绕组分别交替接成Y型和△形,这就可使5次、7次谐波相互抵消,而只需考虑11次、13次谐波的影响,由于频次高,波幅值小,所以危害性减小。
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变频器的谐波干扰与抑制
变频器中要进行大功率二极管整流、大功率晶体管逆变,结果是在输入输出回路产生电流高次谐波,干扰供电系统、负载及其他邻近电气设备。在实际使用过程中,经常遇到变频器谐波干扰问题,下面简单介绍谐波产生的机理、传播途径及有效抑制干扰的方法。
1.变频器谐波产生机理
变频器的主电路一般为交-直-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信号,经滤波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信号。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,其中的高次谐波将干扰输入供电系统。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正弦波的基波和其他各次谐波,而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射,干扰邻近电气设备。
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2.抑制谐波干扰常用的方法
谐波的传播途径是传导和辐射,解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离;解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。具体常用方法:(1)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。(2)在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器,或安装谐波滤波器,滤波器的组成必须是LC型,吸收谐波和增大电源或负载的阻抗,达到抑制谐波的目的。(3)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。(4)信号线采用屏蔽线,且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离(至少20cm以上),切断辐射干扰。(5)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。
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3.抑制谐波干扰实例
例1,某变频切换控制系统,变频器启动运行正常,而邻近液位计读数偏高,一次表输入4mA时,液位显示不是下限值;液位未到设定上限值时,液位计却显示上限,致使变频器接收停机指令,迫使变频器停止运行。
这显然是变频器的高次谐波干扰液位计,干扰传播途径是液位计的电源回路或信号线。解决办法:将液位计的供电电源取自另一供电变压器,谐波干扰减弱,再将信号线穿入钢管敷设,并与变频器主回路线隔开一定距离,经这样处理后,谐波干扰基本抑制,液位计工作恢复正常。
例2,某变频控制液位显示系统,液位计与变频器在同一个柜体安装,变频器工作正常,而液位计显示不准且不稳,起初我们怀凝一次表、二次表、信号线及流体介质有问题,更换所有这些仪表、信号电缆,并改善流体特性,故障依然存在,而这故障就是变频器的高次谐波电流通过输出回路电缆向外辐射,传递到信号电缆,引起干扰。
解决办法:液位计信号线及其控制线与变频器的控制线及主回路线分开一定距离,且柜体外信号线穿入钢管敷设,外壳良好接地,故障排除。例3,某变频控制系统,由两台变频器组成,且在同一柜体内,变频器调频方式均为电位器手调方式,运行某一台变频器时,工作正常,两台同时运行时,频率互相干扰,即调节一台变频器的电位器对另一台变频器的频率有影响,反过来也一样。开始我们认为是电位器及控制线故障,排除这种可能后,断定是谐波干扰引起。
解决办法:把其中一只电位器移到其他柜体固定,且引线用屏蔽信号线,结果干扰减弱。为了彻底抑制干扰,重新加工一个电控柜,并与原柜体一定距离放置,把其中的一台变频器移到该电控柜,相应的接线及引线作必要的改动,这样处理后,干扰基本消除,故障排除。例4,某变频控制系统,切换两套机泵,原先机泵是靠自耦降压启动工频运行正常,现改为变频运行,虽能实现调频减速功能,但变频器输出端到电动机间的输出线严重发热,电动机外壳温升加重,经常出现保护跳闸。这是由于变频器输出电压和电流信号中包含PWM高次谐波,而谐波电流在输出导线和电动机绕线上形成附加功率损耗。
解决办法:把变频器输入线与输出线分开,分别走各自的电缆沟,选用大一号截面的电缆换原先电缆,输出端与电动机之间的电缆长度尽可能短。这样处理后,发热故障排除。对现场出现的各种变频器高次谐波干扰,基本上都能照以上介绍的方法顺利抑制,但对谐波成分及幅度要求很严的设备,彻底抑制高次谐波干扰非常困难,有待进一步攻关解决。
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8楼
说不得说得不错!
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9楼
怎么就不能一次说完,列举的例子不错啊,很长经验的
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10楼
这也是我找的资料,就找到这么多,再就没有了。
那位兄弟还有这方面的资料,麻烦给传点!
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11楼
楼主整理的不错,:victory: :victory:
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