高壓變頻器的特征和結構分析和諧波污染及治理

1、高壓變頻器的特征和結構分析和諧波污染及治理    1 高壓變頻器的結構特征1.1電流型變頻器    變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電感元件而得名，其優(yōu)點是具有四象限運行能力，能很方便地實現(xiàn)電機的制動功能。缺點是需要對逆變橋進行強迫換流，裝置結構復雜，調(diào)整較為困難。另外，由于電網(wǎng)側采用可控硅移相整流，故輸入電流諧波較大，容量大時對電網(wǎng)會有一定的影響。1.2電壓型變頻器    由于在變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電容元件而得名，其特點是不能進行四象限運行，當負載電動機需要制動時，需要另行安裝制動電路。功率較大時，輸

2、出還需要增設正弦波濾波器。1.3高低高變頻器    采用升降壓的辦法，將低壓或通用變頻器應用在中、高壓環(huán)境中而得名。原理是通過降壓變壓器，將電網(wǎng)電壓降到低壓變頻器額定或允許的電壓輸入范圍內(nèi)，經(jīng)變頻器的變換形成頻率和幅度都可變的交流電，再經(jīng)過升壓變壓器變換成電機所需要的電壓等級。這種方式，由于采用標準的低壓變頻器，配合降壓，升壓變壓器，故可以任意匹配電網(wǎng)及電動機的電壓等級，容量小的時侯（<500KW）改造成本較直接高壓變頻器低。缺點是升降壓變壓器體積大，比較笨重，頻率范圍易受變壓器的影響。一般高低高變頻器可分為電流型和電壓型兩種。1.3.1高低高電流型變頻器維

3、修     變頻調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的意義，但是由于變頻器在輸入回路中產(chǎn)生的高次諧波電流，對供電系統(tǒng)，負載及其他鄰近電氣設備產(chǎn)生干擾；尤其是在高精度儀表、微電子控制系統(tǒng)等應用中，諧波干擾問題尤為突出。本文從變頻器工程實際應用出發(fā)，從隔離、濾波和接地三個方面全面闡述了抑制和消除干擾的方法線路板維修，對提高變頻器等工業(yè)設備運行的可靠性和安全性提供參考。一、變頻器諧波產(chǎn)生機理    凡是在電源側有整流回路的，都將因其非線性而產(chǎn)生高次諧波。變頻器的主電路一般為交直交組成，外部輸入380V/50HZ的工頻電源經(jīng)晶閘管

4、三相橋路整流成直流，經(jīng)電容器濾波后逆變?yōu)轭l率可變的交流電。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級數(shù)分解為基波和高次諧波，諧波次數(shù)通常為6N±1（N為自然常數(shù)）。如果電源側電抗充分小、換流重疊µ可以忽略，那么第K次高次諧波電流的有效值為基波電流的1/K。二、高次諧波危害    諧波問題由來已久，近年來這一問題因由于兩個因素的共同作用變得更加嚴重。這兩個因素是：工業(yè)界為提高生產(chǎn)效率和可靠性而廣泛使用變頻器等電力電子裝置，使得與晶閘管相關設備的使用迅猛增長，并伴隨著諧波源的同步增加和放大；電力用戶為改善功率因數(shù)而大量增加使用電容

5、器組，并聯(lián)電容器以諧振的方式加重了諧波的危害。    非線形負荷產(chǎn)生的諧波電流注入電網(wǎng)，使變壓器低壓側諧波電壓升高，低壓側負荷由于諧波干擾而影響正常工作，另一方面諧波電壓又通過供電變壓器傳遞到高壓側干擾其它用戶。在三相回路中，三的整數(shù)倍次諧波電流是零序電流，零序電流在中性線中是相互疊加的。零序諧波電流主要是由三相四線制非線性設備產(chǎn)生的，使供電系統(tǒng)中的中性線電流很大。當中性線上有較大的諧波電流時，中性導線的阻抗在諧波下能產(chǎn)生大的中性線電壓降，此中性線電壓降以共模干擾形式干擾計算機和各種微電子系統(tǒng)的正常工作，使控制設備和精密儀器工作不可靠，故障率高。高次諧波的危害具體

6、表現(xiàn)在以下幾個方面。變壓器    諧波電流和諧波電壓將增加變壓器銅損和鐵損，結果使變壓器溫度上升，影響絕緣能力，造成容量裕度減小。諧波還能產(chǎn)生共振及噪聲。    諧波同樣使電動機銅損和鐵損增加，溫度上升。同時諧波電流會改變電磁轉距，產(chǎn)生振動力矩，使電動機發(fā)生周期性轉速變動，影響輸出效率，并發(fā)出噪聲。開關設備    由于諧波電流使開關設備在起動瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率，使暫態(tài)恢復峰值電壓增大，破壞絕緣，還會引起開關跳脫、引起誤動作。保護電器電流中含有的諧波會產(chǎn)生額外轉距，改變電器動作特性，引起誤動作，甚至改

7、變其操作特性，或燒毀線圈。計量儀表    計量儀表因為諧波會造成感應盤產(chǎn)生額外轉矩，引起誤差，降低精度，甚至燒毀線圈。電力電子設備    電力電子設備通?？烤_電源零交叉原理或電壓波形的形態(tài)來控制和操作，若電壓有諧波成分時，零交叉移動、波形改變、以致造成許多誤動作。上海三廣數(shù)碼科技有限公司在維修行業(yè)優(yōu)勢明顯，除了強大的技術力量，還和香港恒發(fā)科技有限公司合作，徹底解決了集成電路、偏冷們芯片、電流傳感器、電壓傳感器、電流變送器、電壓變送器、開關電源以及各種常用電子元件的供應問題。    1.4高高變

8、頻器    高高變頻器無需升降壓變壓器，功率器件在電網(wǎng)與電動機之間直接構建變換器。由于功率器件耐壓問題難于解決，目前國際通用做法是采用器件串聯(lián)的辦法來提高電壓等級，其缺點是需要解決器件均壓和緩沖難題，技術復雜，難度大。但這種變頻器由于沒有升降壓變壓器，故其效率較高低高方式的高，而且結構比較緊湊。高高變頻器也可分為電流型和電壓型兩種。1.4.1高高電流型變頻器    它采用GTO，SCR或IGCT元件串聯(lián)的辦法實現(xiàn)直接的高壓變頻，目前電壓可達10KV。由于直流環(huán)節(jié)使用了電感元件，其對電流不夠敏感東芝CT維修，因此不容易發(fā)生過流故障，逆變

9、器工作也很可靠，保護性能良好。其輸入側采用可控硅相控整流，輸入電流諧波較大。變頻裝置容量大時要考慮對電網(wǎng)的污染和對通信電子設備的干擾問題。均壓和緩沖電路，技術復雜，成本高。由于器件較多，裝置體積大，調(diào)整和維修都比較困難。逆變橋采用強迫換流，發(fā)熱量也比較大，需要解決器件的散熱問題。其優(yōu)點在于具有四象限運行能力，可以制動。需要特別說明的是，該類變頻器由于較低的輸入功率因數(shù)和較高的輸入輸出諧波，故需要在其輸入輸出側安裝高壓自愈電容。              &

10、#160;                                 1.4.2高高電壓型變頻器    電路結構采用IGBT 直接串聯(lián)技術，也叫直接器件串聯(lián)型高壓變頻器。其在直流環(huán)節(jié)使用高壓電容進行濾波和儲能，輸出電壓可達6KV，其優(yōu)

11、點是可以采用較低耐壓的功率器件，串聯(lián)橋臂上的所有IGBT作用相同，能夠實現(xiàn)互為備用，或者進行冗余設計。缺點是電平數(shù)較低，僅為兩電平，輸出電壓dV/dt也較大，需要采用特種電動機或整加高壓正弦波濾波器，其成本會增加許多。它不具有四象限運行功能，制動時需另行安裝制動單元。這種變頻器同樣需要解決器件的均壓問題，一般需特殊設計驅動電路和緩沖電路。對于IGBT驅動電路的延時也有極其苛刻的要求。一旦IGBT的開通、關閉的時間不一致，或者上升、下降沿的斜率相差太懸殊，均會造成功率器件的損壞. 1.5嵌位型變頻器鉗位型變頻器一般可分為二極管鉗位型和電容鉗位型。1.5.1二極管嵌位型變頻器 

12、   它既可以實現(xiàn)二極管中點嵌位，也可以實現(xiàn)三電平或更多電平的輸出，其技術難度較直接器件串聯(lián)型變頻器低。由于直流環(huán)節(jié)采用了電容元件，因此它仍屬于電壓型變頻器電源維修。這種變頻器需要設置輸入變壓器，它的作用是隔離與星角變換，能夠實現(xiàn)12脈沖整流，并提供中間嵌位零電平。通過輔助二極管將IGBT等功率器件強行嵌位于中間零電平上，從而使IGBT兩端不會因過壓而燒毀，又實現(xiàn)了多電平的輸出。這種變頻器結構，輸出可以不安裝正弦波濾波器。1.5.2電容嵌位型變頻器    它采用同橋臂增設懸浮電容的辦法實現(xiàn)了功率器件的嵌位，目前這種變頻器應用的比較少。1.6單元

13、串聯(lián)型變頻器    近幾年才發(fā)展起來的一種電路拓撲結構，它主要由輸入變壓器、功率單元和控制單元三大部分組成。采用模塊化設計，由于采用功率單元相互串聯(lián)的辦法解決了高壓的難題而得名，可直接驅動交流電動機，無需輸出變壓器，更不需要任何形式的濾波器。以6單元串聯(lián)為例。整套變頻器共有18個功率單元，每相由6臺功率單元相串聯(lián)，并組成Y形連接，直接驅動電機。每臺功率單元電路、結構完全相同，可以互換，也可以互為備用。    變頻器的輸入部分是一臺移相變壓器，原邊Y形連接，副邊采用沿邊三角形連接，共18副三相繞組，分別為每臺功率單元供電。它們被平均分成

14、、三大部分，每部分具有6副三相小繞組，之間均勻相位移10度。該變頻器的特點如下：  采用多重化PWM方式控制，輸出電壓波形接近正弦波。  整流電路的多重化，脈沖數(shù)多達36，功率因數(shù)高，輸入諧波小。  模塊化設計，結構緊湊，維護方便，增強了產(chǎn)品的互換性。  直接高壓輸出，無需輸出變壓器。  極低的dv/dt輸出，無需任何形式的濾波器。  采用光纖通訊技術，提高了產(chǎn)品的抗干擾能力和可靠性。  功率單元自動旁通電路，能夠實現(xiàn)故障不停機功能。     計算機和一些其它電子設備，通常要

15、求總諧波電壓畸變率(THD)小于5%，且個別諧波電壓畸變率低于3%，較高的畸變量可導致控制設備誤動作，進而造成生產(chǎn)或運行中斷，導致較大的經(jīng)濟損失。電力電纜    高頻諧波電流會在導體中引起集膚效應，產(chǎn)生額外溫升增加銅耗。特別是零序的3次諧波電流在中性線中是相互疊加的，使供電系統(tǒng)中的中性線電流很大，有的中性線上的電流還會超過相電流，使中性線發(fā)熱，加速絕緣層老化，甚至引起火災。此外當中性線上有較大的諧波電流時，導線的阻抗能產(chǎn)生大的中性線電壓降，干擾各種微電子系統(tǒng)的正常工作。電力電容器    高次諧波由于頻率增大，電容器對高次諧波阻抗減小，

16、因過電流而導致溫度升高過熱、甚至損壞電容器；電容器與系統(tǒng)中的感性負荷構成的并聯(lián)或串聯(lián)電路，還有可能發(fā)生諧波共振，放大諧波電流或電壓加重諧波的危害。經(jīng)由電容器組電容和電網(wǎng)電感形成的并聯(lián)諧振回路，可被放大到10-15倍。                 在低壓變頻器的直流環(huán)節(jié)由于采用了電感元件而得名。輸入側采用可控硅移相控制整流，控制電動機的電流，輸出側為強迫換流方式，控制電動機的頻率和相位。能夠實現(xiàn)電機的四象限運行。1.3.2高低高電壓型變頻器