变频驱动器谐波及其抑制方法

讨论变频驱动器的好处往往会引出一个关于电谐波失真问题。在评估变频驱动器时,重要的是要了解谐波是如何提供的,以及谐波有害的情况。
 
谐波定义
我国三相交流电源的工作频率通常为50赫兹(每秒50个周期)。这叫做基频。
 
谐波是基频整数倍的任何电流形式。例如,对于50赫兹电源,谐波频率为100赫兹(2 x基波)、150赫兹、200赫兹、250赫兹等。
 
什么引起谐波?
只有当线路电压大于变频器电源内部的直流母线电压时,变频驱动器才会从线路中吸取电流。这只发生在正弦波的峰值附近。因此,所有的电流都以较短的间隔(即,在较高的频率)引出。变频驱动设计的变化会影响产生的谐波。例如,配有直流环节电感的变频驱动器产生的谐波水平与不带直流环节电感的类似变频驱动器不同。与使用二极管或可控硅整流器(SCR)的变频驱动器相比,在整流器部分使用晶体管的前端有源变频驱动器的谐波水平要低得多。
 
电子照明镇流器、不间断电源、计算机、办公设备、臭氧发生器和其他高强度照明也是谐波问题的根源。
 
显然,生成波形的大小对生成波形的形状有影响。如果基波形式(50赫兹)的幅度非常大(5000安培),并且谐波形式非常低(10安培),则合成波形式不会非常扭曲,总谐波失真也会很低。如果谐波电流值相对于基波较高,其影响将更加剧烈。
 
在自然界中,我们看到了波浪在水中的作用。如果你不断地往海里扔棒球大小的石头,你就不会期望改变海浪冲击海滩的形状。然而,如果你把同样大小的石头扔进浴缸,你肯定会观察到效果。它类似于电波和谐波失真。
 
当你计算谐波时,你是在计算谐波对特定配电系统中基波电流波形的影响。有几个程序可以执行估计计算。所有这些都考虑到相对于非线性负载(仅在正弦波的一小部分时间内牵引功率的负载)的线性负载量(通过整个正弦波牵引功率的负载)。线性荷载与非线性荷载之比越大,非线性荷载对波型的影响越小。
 
一些公用事业公司现在对在电网中引入谐波进行处罚,为业主减少谐波提供激励。此外,降低谐波水平可以防止同一系统中敏感设备的潜在问题。有许多方法可以减轻谐波。这里讨论了几种常用的方法。
 
1、线路电抗器
线路电抗器在电路中增加电抗和阻抗。电抗和阻抗的作用是降低系统中谐波的电流大小,从而降低TDD。线路反应器还可以保护装置不受大电流尖峰和短上升时间的影响。安装在变频驱动器和电机之间的线路电抗器将有助于保护电机免受电流尖峰的影响。在变频电源和变频驱动器之间放置一个线路反应器将有助于保护电源免受电流尖峰的影响。线路反应器通常仅用于变频驱动器和电机之间,当独立式变频驱动器安装在距离电机50英尺以上时。这样做是为了防止电机绕组在极快上升时间内出现电压峰值。
 
2、无源滤波器
陷波滤波器是包括由电感器、电抗器和电容器组成的电路的装置,其设计目的是提供以目标频率接地的低阻抗路径。由于电流将通过最低阻抗路径,这将阻止目标频率的谐波电流通过系统。滤波器可以安装在变频器电源面板内或作为独立装置。陷阱过滤器通常被引用以满足THD(i)值,如果系统已经符合IEEE-519要求,则该值将导致符合IEEE-519要求。
 
3、有源滤波器
有些设备测量谐波电流,并迅速产生相反的电流谐波形式。然后,这两种波形相互抵消,防止在滤波器上游观察到谐波电流。这些类型的滤波器通常具有良好的谐波抑制特性。有源滤波器可以降低发电机的尺寸要求。
 
4、使用主动前端技术(AFE)的变频驱动器
一些变频驱动器是用IGBT整流器制造的。IGBT独特的特性使变频驱动能够主动控制电源输入,从而降低谐波,提高功率因数,使变频驱动对电源侧干扰的耐受性大大提高。AFE变频驱动器具有超低谐波,能够满足IEEE-519标准,无需任何外部滤波器或线路电抗器。这大大降低了安装成本和发电机尺寸要求。AFE 变频器电源提供了利用变频驱动和最小化谐波的最佳方法。
 
5、多脉冲变频驱动器
三相变频驱动器至少有六个整流器。不过,可能还有更多。基本上制造商提供12、18、24和30个脉冲变频器电源。一个标准的六脉冲变频器电源有六个整流器,一个12脉冲变频器电源有两组六个整流器,一个18脉冲变频器电源有三组六个整流器等等。如果连接到每台整流器的电源发生相移,那么一台整流器产生的某些谐波在极性上与另一台整流器产生的谐波相反。这两种波形有效地相互抵消。为了使用移相,必须使用具有多个二次绕组的特殊变压器。例如,对于12脉冲变频驱动器,将使用一个三角形/三角形Y形变压器,每个二次相位移动30度。

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