对变频器谐波干扰采取的抑制对策如下:
(1)增加变频器供电电源内阻抗。电源设备内阻抗可起缓冲变频器直流滤波电容无功功率作用,电源内阻抗就是变压器短路阻抗。电源容量相对变频器容量越小、内阻抗相对越大、谐波含量越小;电源容量越大、内阻抗相对越小、谐波含量越大。对三菱 FR-F540 系列变频器、电源内阻为 4% 时可起很好谐波抑制作用,故选择供电电源变压器时最好选短路阻抗大的变压器。因非线性负载引起畸变电流在电缆阻抗上产生畸变电压降、合成畸变电压波形加到同一线路其他负载、引起谐波电流流过,减少危害也可从加大电缆截面积、减少回路阻抗实现。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)、选用开断容量较大的断路器熔断器等保护元件,但这种方式不能从根本上消除谐波、反而降低保护特性与功能、加大投资、增加供电系统隐患。在电源设计中可将变频器供电电源与非线性负载从同一电源接口点(PCC)开始分路供电、使畸变电压不传导到线性负载,这是目前治理谐波较理想方案。
(2)安装电抗器。安装电抗器实际上从外部增加变频器供电电源内阻抗:在交流侧安装交流电抗器、直流侧安装直流电抗器、并在输出侧安装电抗器可有效抑制谐波电流。
图5-4 串联交流电抗器
·输入电抗器:在电源与变频器输入侧之间串联交流电抗器(图5-4),可使电源阻抗增大抑制高次谐波电流、减少电源浪涌对变频器冲击、改善三相电源不平衡性、提高输入功率因数(提高到 0.75~0.85),进线电流波形畸变约降低 30%~50%、约为不加电抗器谐波电流的一半。
·直流电抗器:串联在直流中间环节母线中(端子+、−之间),主要减小输入电流高次谐波成分、提高输入功率因数(提高到 0.95),可与交流电抗器同时使用、变频器功率>30 kW 时才考虑配置。
·输出电抗器(电动机电抗器):因电动机与变频器间电缆存在分布电容、尤其电缆距离较长且粗时,变频器经逆变输出的调制方波会在电路上产生一定过电压、使电动机无法正常工作,可通过在变频器与电动机间连接输出电抗器进行限制,如图5-5 所示。
图5-5 串联输出电抗器
采用变频器与电动机间增加交流电抗器主要目的是减少变频器输出在能量传输过程中线路产生的电磁辐射,该电抗器必须安装在距变频器最近处、尽量缩短与变频器引线距离。若使用铠装电缆作为变频器与电动机连线可不使用输出电抗器,但须做到电缆铠装层在变频器与电动机端可靠接地、接地的铠装侧原样不动接地不能扭成绳、不能用其他导线延长,变频器侧接在地线端子上并将变频器可靠接地。
(3)滤波器。当系统对抗干扰能力要求较高时,为减少对电源干扰、在电源输入端可加装电源滤波器。传统方式多选无源滤波器,无源滤波器出现最早、结构简单、投资少、运行可靠性较高且运行费用较低、至今仍是谐波抑制主要手段。LC 滤波器由滤波电容器、电抗器与电阻器组合而成、与谐波源并联,除滤波作用外还有无功补偿作用。无源滤波器不能受控,随时间推移配件老化或电网负载变动会使谐振频率改变、滤波效果下降;更重要是无源滤波器只能过滤一种谐波成分(如有的只能滤三次谐波),滤不同谐波频率需分别用不同滤波器、增加投资。使用无源滤波器主要改变特殊频率下电源阻抗、适用于稳定系统。采用无源滤波器电路如图5-6 所示,满载时进线 THDv 可降至 5%~10%、满足 EN61000-3-12 与 IEEE519-1992 要求、技术成熟、价格适中、适用于所有负载 THDv<30% 情况,缺点是轻载时功率因数降低。
图5-6 使用专用无源滤波器
将无源滤波器安装在变频器交流侧,由 L、C、R 元件构成谐波共振回路,当 LC 回路谐波频率与某次高次谐波电流频率相同时即阻止高次谐波流入电网。无源滤波器的特点是投资少、频率高、结构简单、运行可靠、维护方便,缺点是滤波易受系统参数影响、对某些次谐波有放大可能、体积大。除传统无源滤波器外,谐波抑制重要趋势是采用有源电力滤波器:它串联或并联于主电路、实时补偿检测出谐波电流、由补偿装置产生大小相等方向相反的补偿电流、使电网电流只含基波分量。国内外有多种有源滤波器、能对频率幅值都变化的谐波跟踪补偿、补偿特性不受电网阻抗影响。有源电力滤波器(APF)理论于 20 世纪 60 年代形成,随着大中功率全控型半导体器件成熟、PWM 控制技术进步及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法提出而迅速发展,核心部分是谐波电流发生器与控制系统、靠数字信号处理(DSP)技术控制快速绝缘双极晶体管(IGBT)完成。
在变频器输入输出电路中采用滤波器可抑制变频器产生电磁干扰噪声传导、也可抑制外界辐射干扰及瞬时冲击浪涌对变频器干扰。按使用位置分输入滤波器与输出滤波器,输入滤波器又分线路滤波器与辐射滤波器:①线路滤波器串联在变频器输入侧、由电感线圈组成、通过增大电路阻抗减小频率较高的谐波电流,使用外控端子控制变频器时若控制回路电缆较长、外部干扰可能从控制回路电缆侵入造成误动作,此时将线路滤波器串联在控制回路电缆上可消除干扰;②辐射滤波器并联在电源与变频器输入侧、由高频电容器组成、可吸收较高频率具辐射能量谐波成分、降低辐射噪声,线路滤波器与辐射滤波器同时使用效果更好。输出滤波器串联在变频器输出侧、由电感线圈组成,可减小输出电流中高次谐波成分、抑制输出侧浪涌电压、减小电动机由高频谐波电流引起的附加转矩。输出滤波器从结构上分为 LR 滤波器单元与 LC 滤波器单元两种,输出滤波器到变频器与电动机接线尽量缩短、滤波器应尽量靠近变频器(图5-7)。
图5-7 LR 滤波器单元、LC 滤波器单元
(4)多脉冲晶闸管整流电路。通用变频器为六脉波整流器、产生谐波较大。若采用变压器多相运行使相位角互差 30°(如 Y-△、△-△ 组合变压器构成 12 脉波整流),12 脉冲晶闸管整流电路由两组晶闸管整流桥串联而成、分别由输入变压器两组副边(星形与三角形、互差 30° 电角度)供电。其优点是把整流电路脉冲数由 6 脉冲提高到 12 脉冲、大幅降低 5 次与 7 次谐波电流。因对晶闸管整流电路谐波电流近似为基波电流的 1/h 倍(h 为谐波次数,h=n×p±1、n 为自然数、p 为脉冲数),12 相脉冲整流 THDv 约 10%~15%,虽比 6 脉冲大幅下降、但仍达不到 IEEE519-1992 规定的电网短路电流小于 20 倍负载电流时谐波电流失真小于 5% 要求。18 脉冲晶闸管整流电路由三组整流桥串联而成、变压器三组副边均为三角形、互差 20° 电角度,具 12 脉冲结构优点、总谐波电流失真小于 5.6%、总谐波电压失真小于 2%、基本符合 IEEE519-1992 标准、无须安装谐波滤波装置,缺点是需专用变压器与整流器、不利于设备改造、价格较高。
普通电流源型变频器输出电流不是正弦波而呈 120° 方波,三相合成磁动势不是恒速旋转而是步进磁动势,与基本恒速旋转的转子磁动势产生电磁转矩除平均转矩外还有脉动分量。转矩脉动平均值为 0、会使转子转速不均匀产生脉动,电动机低速时还会发生步进现象,适当条件下可能引起电动机与负载组成机械系统共振。脉动转矩主要由基波旋转磁通与转子谐波电流相互作用产生,三相电动机中产生脉动转矩的主要是 6n±1 次谐波。6 脉冲输出电流源型变频器输出电流含丰富 5 次与 7 次谐波:5 次谐波旋转磁势与基波旋转磁势反向、7 次同向,而转子电气旋转速度基本接近基波磁势旋转速度(二者差别对应转差率)、故 5 次与 7 次谐波磁势都会在转子中感应产生 6 倍于基波频率的转子谐波电流,基波旋转磁势与 6 倍频转子谐波电流共同作用产生 6 倍频脉动转矩,故 6 脉冲输出电流源型变频器含较大 6 倍频脉动转矩;同样 11 次与 13 次谐波电流也会产生 12 倍频脉动转矩。电流源型变频器采用 12 脉冲多重化后输出电流波形更接近正弦波,因 5 次与 7 次谐波大幅降低、6 倍频脉动转矩大幅减小、剩下主要为 12 倍频脉动转矩、总转矩脉动明显降低。
(5)变频器拓扑与控制方式优化。普通二电平与三电平 PWM 电压源型变频器输出电压跳变台阶较大、相电压跳变分别达直流母线电压及其一半,同时功率器件开关速度较快产生较大电压变化率、较大 du/dt 会影响电动机绝缘,尤其变频器输出与电动机间电缆较长时因线路分布电感电容存在产生行波反射作用、du/dt 放大、在电动机端子处可增加一倍以上、损坏绝缘,故这种变频器一般需特殊设计电动机(加强绝缘),用普通电动机必须附加输出滤波器。PWM 电压源型变频器输出电压较高时通常采取三电平 PWM 方式(也称 NPC 中点钳位方式),整流电路一般用二极管、逆变部分功率器件用 GTO、IGBT 或 IGCT。与普通二电平相比因输出相电压电平数增加到 3 个、每电平幅值相对下降、且提高输出电压谐波消除算法自由度、输出波形质量比二电平较大提高。为减少输出谐波希望较高开关频率、但会导致变频器损耗增加效率下降、开关频率一般不超过 2 kHz,若不附加输出滤波器三电平变频器输出电流总谐波失真可达 17% 左右、不能使用普通异步电动机。
因变频器输出谐波引起电动机附加温升、电动机容量必须适当放大、热参数降低使用;谐波使电动机振动噪声增加、电动机应采取低噪声设计并避免可能振动、临界转速必须避开整个工作转速范围;转矩脉动产生应力集中可能损坏电动机部件、关键部位必须加强;定转子槽形应不同于标准电动机、可减少谐波引起铜耗;采取绝缘轴承、必要时轴上装接地碳刷避免轴电流损坏轴承。因普通变频器输出波形含高次谐波成分、集肤效应使线路等效电阻增加,逆变器输出低频时输出电压降低、线路压降占输出比例增加、故输出电缆截面积应比普通接线放大一级。
单一控制方式各有缺点,结合起来可取长补短、降低谐波提高效率。大容量变流器减少谐波主要方法是多重化技术;几千瓦到几百千瓦高功率因数整流器主要采用 PWM 逆变器构成四象限交流调速变频器,这种变频器输出电压电流为正弦波、输入电流也为正弦波、功率因数为 1、还可实现能量双向传递、代表技术发展方向。变频器应用的低谐波技术可归纳:逆变单元并联多重化(用 2 个或多个逆变单元并联、通过波形叠加抵消谐波分量);整流电路多重化(PWM 变频器采用 12 脉冲、18 脉冲或 24 脉冲整流减少谐波);逆变单元串联多重化(采用 30 脉冲串联逆变单元多重化线路、谐波可减到很小);采用新变频调制方法(如电压矢量菱形调制)。目前许多变频器制造厂商已非常重视谐波问题、设计时已从技术手段保证变频器绿色化、从根本上解决谐波问题。