高壓變頻器的諧波研究與分析

摘　要：當(dāng)電動機(jī)容量較大時，大功率變頻器的輸入諧波對電網(wǎng)的影響以及輸出諧波對電動機(jī)的影響成為了交流變頻系統(tǒng)中突出的問題。為了減小大功率變頻器的諧波，普遍采用多脈動整流、變壓器耦合輸出、多電平和單元級聯(lián)技術(shù)，形成了以多脈動整流拓?fù)浠蚨嚯娖酵負(fù)錇檩斎爰墶⒁宰儔浩黢詈陷敵龌蚨嚯娖捷敵鐾負(fù)錇檩敵黾壍拇蠊β?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/變頻器">變頻器主電路，以及多重化結(jié)構(gòu)的大功率變頻器主電路。本文對目前幾種有代表性的高壓變頻器主電路拓?fù)浼拜斎胼敵鲋C波進(jìn)行了分析，并與IEEE-519標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，研究了變頻器的諧波特性。

關(guān)鍵詞：多重化　多電平　單元級聯(lián)　變壓器耦合輸出

1 引言

由于大功率風(fēng)機(jī)、水泵的變頻調(diào)速方案可以收到顯著的節(jié)能效果,具有重大的經(jīng)濟(jì)效益,因此,高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)的研究已發(fā)展成為各國節(jié)能事業(yè)的主導(dǎo)方向之一。電力電子變流電路仍然是變頻技術(shù)的核心,由于電力電子器件都工作于開關(guān)狀態(tài),由這些電路構(gòu)成的裝置已成為電力系統(tǒng)中的主要諧波源,變頻器輸出的諧波電流會引起諧振和諧波電流放大,危害旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變壓器,影響繼電保護(hù)和電力測量準(zhǔn)確性。近年來,圍繞抑制諧波電流,研究人員在電路結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)等方面提出了不同的整流和逆變方案,形成了多樣化的大功率變頻技術(shù)。請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息

本文系統(tǒng)地歸納了高壓大功率變頻器的結(jié)構(gòu)，研究了各類變頻器的諧波抑制原理，深入分析了高壓大功率變頻器的輸入、輸出諧波，并以IEEE-519規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了比較研究，為變頻器的選擇提供了參考。

2 諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)(IEEE-519)簡介

為了限制變流裝置及非線性負(fù)載對電力系統(tǒng)的諧波干擾，世界各國及相關(guān)組織都制定了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量。其中最具權(quán)威性的是美國電氣和電子工程協(xié)會(IEEE)制定并作為美國國家標(biāo)準(zhǔn)(ANSI)的IEEE-519。該標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)分析了波形畸變的原因及其影響;確定了判別畸變程度的參量;制定了對電力系統(tǒng)中波形畸變的限制;介紹了波形畸變的分析方法和控制措施等，對從事大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用的工程技術(shù)人員具有指導(dǎo)性的作用。

IEEE-519中的限制均是針對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時提出的“最差”條件，暫態(tài)過程中允許出現(xiàn)超過此標(biāo)準(zhǔn)的情況。表1列出了IEEE-519對電壓諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)。

表1 IEEE-519對電壓諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)

表2列出了低于6.9kV的供電系統(tǒng)中，在不同的短路比(短路比SCR定義為最大短路電流IS與平均設(shè)定最大負(fù)載電流IL之比)條件下，其諧波電流值和總諧波畸變系數(shù)(THD)值的限制，而偶次諧波限制在奇次諧波的25%以下。因此，按照電力電子裝置容量與電力系統(tǒng)短路容量之比，正確選擇主電路聯(lián)結(jié)形式(等效相數(shù)、脈波數(shù))和控制方式，就十分重要。

表2 IEEE-519對電流諧波的限制值

3 高壓變頻器輸入諧波分析

3.1 多脈動整流抑制輸入諧波的基本原理

多重移相疊加技術(shù)是由A.Kernick等人早在1962年提出的。該技術(shù)采用脈動寬度為60°的6脈動三相全波整流(或等效三相全波整流)作為基本單元，使m組整流電路的交流側(cè)電壓依次移相α=60°/m，則可組成脈動數(shù)為p=6m的多脈動整流。其脈動數(shù)p、組數(shù)m、移相角α及對應(yīng)的諧波次數(shù)h之間的關(guān)系如表3所示。

表3 多脈動整流的組成

對于12脈動整流，整流變壓器為常規(guī)接法的Y/Y-12(或Δ/Δ-12)和Y/Δ-11或(Δ/Y-1)，二者交流側(cè)副方電壓互相移相30°，直流側(cè)并聯(lián)(或串聯(lián))后組成12脈動整流。

對于18脈動及以上的整流，整流變壓器繞組采用曲折接線(Z接線)實現(xiàn)，各整流單元并聯(lián)(或串聯(lián))，共同向負(fù)載供電。只要滿足m組6脈動整流交流側(cè)的電壓U(n)(n=1,2,……,m)依次移相α=60°/m，即可得到p=6m脈動的多相整流。具體變壓器組別選擇情況如表4。