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变频技术的应用及谐波治理

来源：智榕旅游

28(2005.No.5)《电气开关》

文章编号:1004—289X(2005)05-28-04

变频技术的应用及谐波治理

曾繁玲

(广东省罗定职业技术学院,广东　云浮　527200)

摘　要:介绍了变频技术的发展过程,对变频技术的主要应用作了综合叙述,预测了变频技术的发展趋势,分析了用于治理变频器谐波污染的有源功率因数校正电路、无源滤波器、有源滤波器、混合滤波器的基本原理和发展方

向。

关键词:变频技术;变频器;谐波治理

中图分类号:TN773　　　　　　文献标识码:B

ApplicationandHarmonicImprovementofConverterTechnique

ZHENGFan-ling

(TheVocationalandTechnicalCollegeofLuoding,CuodingGuangdong527200,China)

Abstract:Thedevelopmentprocessofconvertertechniqueispresented.Themainapplicationsofconverter

techniguqearenarratedandforecastdevelopmenttendencyoftheconvertertechnique.Thebasicprincipleanddevelopmentaldirectionofcorrectingcircuitofactivepowerfactor,passivefilter,activefilterandcompoundfilterwhichareusedtogovernharmonicpollutionoffrequencycouverterareanalized.

Keywords:couvertertechnique;frequencyconverter;Harmonicimprovement1　引言

随着计算机技术、微电子技术和电力电子技术的发展,变频技术得到了迅速发展,应用日渐广泛。特别在节约能源及提高产品质量、提高设备的效率方面,获得很好的经济效益和社会效益,变频技术的发展还促进了家用电器的变频化。但变频技术的应用也带来了谐波、电源系统功率因数下降等问题。并且变频装置所产生的谐波污染已成为变频技术发展的重大障碍,它迫使变频领域研究人员对谐波问题进行更为有效的研究,以治理谐波污染。

足生产要求。于是,从20世纪30年代开始,人们致力于交流调速技术的研究,然而进展缓慢。20世纪70年代开始,电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展,脉宽调制变压变频(PWM—VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代,人们对作为变频技术核心的PWM模式优化问题产生浓厚兴趣,并得出诸多优化模式,其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始,美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用,但它的静态调速精度较差。

转差频率控制变频是根据速度传感器的检测,可以求得转差频率△f,再把它与速度设定值f3相叠加,以该叠加值作为逆变器的频率设定值f13,实现转差补偿。与VVVF相比,其高速精度大为提高。但是,使用速度传感器求取转差频率,要针对具体电动机的机械特性调整控制参数,因而这种控制方式的通用性较差。

矢量控制变频技术的做法是:根据交流电动机的

2　变频技术的发展

随着生产技术的不断发展,直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。由于换向器的存在,使直流电机的维护工作量加大,单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们对转向结构简单,运行可靠,便于维护,价格低廉的异步电动机。但异步电动机的调速性能难以满

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动态数学模型,利用坐标变换的手段,将交流电机的定

子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流,并分别加以控制,即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式,对电动机的磁场和转矩分别进行控制,以获得类似于直流调速系统的动态性能。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确检测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。

直接转矩控制变频是利用空间电压矢量PWM控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

矩阵式交—交变频,省去了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l,输入电流为正弦且能四象限运行,系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟,但仍吸引着众多的学者深入研究。

变频器。中国工控网的市场研究报告显示,仅电力行业,2003年的变频器市场规模就达到了2.5亿元。因此,变频器的节能应用前景非常广阔。3.2　工艺控制(速度控制)

由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点,在许多需要精确速度控制的应用中,变频器正在发挥着提高工艺质量和生产效率的显著作用。以纺织行业为例,中国具有世界最大的的纺织产品生产能力,市场范围遍及全球,产业规模庞大。纺织与化纤行业也是变频器应用最多的行业。在最常见的化纤机械设备中,选用变频器的设备有螺杆挤出机、纺丝机和后加工机等。选用变频器较多的棉纺设备主要有细纱机、粗纱机、精梳机等。这些设备都要求精确速度控制、多单元同步传动或比例同步(牵伸)传动等。应用变频器可以提高工艺要求、提升产品质量,同时减轻工人的劳动强度,提高生产效率。可以说,变频器是纺织行业增强国际竞争能力的重要装备。中国工控网的市场调查显示,2003年变频器在纺织与化纤行业的市场规模超过了10亿元。

此外,在食品、饮料、包装、造纸、机床、电梯等行业,国内的企业需要扩大生产规模,提高生产技术,变频器的应用前景和发展潜力都不可小觑。3.3　变频家电

在普通家庭中,节约电费、提高家电性能、保护环境等受到越来越多的关注,变频家电成为变频技术应用的另一个广阔市场。它在节能、减小电压冲击、降低噪音、提高控制精度、延长使用寿命等方面有很大的优势。以变频微波炉为例,它是以变频器替代了传统微波炉内的变压器,变频器通过变频电路可以将50Hz的电源频率任意地转换成为20000～45000Hz的高频率,通过改变频率来得到不同的输出功率,解决了传统微波炉加热不均匀的弊端,实现了真正意义上的均匀火力调控。除此之外,与传统微波炉相比,变频微波炉还具有机身轻巧、噪音小、烹饪速度快、节电等特点。

目前,中国是世界上最主要的家电供应国,但家电采用变频器的比例很低,而在日本,90%以上的家电是变频控制。据调查,2003年,中国的变频家电同比增长超过200%,但现在市场中的变频家电并不多见,因此,变频家电具有非常大的发展潜力。

3　变频技术的应用

3.1　节能

应用变频调速,可以大大提高电机转速的控制精度,使电机在最节能的转速下运行。以风机水泵为例,根据流体力学原理,轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少,风机转速降低时,其功率按转速的三次方下降。因此,精确调速的节电效果非常可观。与此类似,许多变动负载电机一般按最大需求来生产,故设计裕量偏大。而在实际运行中,轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变频调速,可大大提高轻载运行时的工作效率。因此,变动负载的节能潜力巨大。

作为节能目的,变频器广泛应用于电力、冶金、石油、化工、市政、中央空调、水处理等行业中。以电力行业为例,由于中国大面积缺电,电力投资将持续增长,同时,国家电改方案对电厂的成本控制提出了要求,降低内部电耗成为电厂关注焦点,因此变频器在电力行业有着巨大的发展潜力,尤其是高压变频器和大功率

4　变频器的谐波治理

4.1　谐波产生机理

变频器的主电路一般为交-直-交组成,外部输

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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。在整流回路中接有大电容,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,因而在轻载时网侧电流为双尖峰脉冲,电流畸变较大,对电网造成谐波污染,网侧功率因数较低。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它各次谐波,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。4.2　谐波的危害

(1)对电网的危害:使电网中的元件产生附加的谐波损耗,供电电压品质下降,降低了发电、输变电设备的效率,大量的3次谐波流过中性线时,会引起电网中局部并联谐振和串联谐振,从而使谐波放大,导致线路过热甚至发生火灾;影响接在同一供电变压器的其它设备、仪器及计算机正常工作,使补偿电容漏电流增大,温度升高;

(2)对电动机危害:电动机发热(低次电流谐波使铜损增大,高次谐波使铁损增大);电动机噪声增大;产生脉动转矩;电动机消耗的无功分量增大;中性点对地的高频漏电流增大;谐振电压影响电动机绝缘的寿命。4.3　应用变频技术的谐波抑制

目前解决变频器谐波污染的主要技术途径有两条:

(1)主动型谐波抑制方案是使变频器本身不产生或少产生谐波。由于变频器整流电路的输入侧,会引起电网电压、电流畸变,如果增加功率因数校正部分,对电网带来的效益是明显的。随着电力电子器件和微电子技术的发展,功率因数校正的集成控制器已先后涌入市场,因此,APFC的成本降低,可靠性大大提高。目前常采用有源功率因数校正电路(APFC)。

有源功率因数校正技术的思路是,控制已整流后的电流,使之在滤波大电容充电之前与整流后的电压波形相同,从而避免形成电流脉冲,达到改善功率因数的目的。目前,单相电路APFC技术已经成熟,三相有源功率因数校正技术不如单相电路APFC成熟,工程技术界正在致力于这一问题的研究。如图1的单相有源功率因数校正电路,主电路是一个全波整流器,实现

AC󰃗DC的变换,电压波形不会失真;在滤波电容C之

前是一个Boost变换器,实现升压式DC󰃗DC变换;控制电路是由一个电压外环和一个电流内环构成。

图1　有源功率因数校正电路

APFC的工作原理如下:输出电压uc和给定电压

UC比较后,误差信号经运算放大器送入乘法器,与全

波整流电压取样信号ud相乘后形成基准电流信号3

IS,基准信号与电流反馈信号构成电流环,产生PWM信号,即开关V的驱动信号,控制开关S的通

断,使电流跟踪基准电流信号变化。由于基准电流信号同时受输入交流电压和输出直流电压调控,因此,当电路的实际电流与基准电流一致时,既能实现输出电压恒定,又能保证输入电流为正弦波,并且与电网电压同相,从而获得接近1的功率因数;

(2)被动型谐波抑制方案即采取措施,减少变频器产生的各次谐波对电网及其它设备的干扰。不改变谐波负载本身,而是在电力系统或谐波负载的交流侧加

有源滤波器(APF)或者混合滤波装无源滤波器(PF)、

器(HAPF)等装置,通过外加设备对电网实施谐波补偿。

无源滤波器(PF):无源滤波器通常采用电力电容器、电抗器和电阻器按功能要求适当组合,在系统中为谐波提供并联低阻通路,起到滤波作用。无源滤波器的优点是投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便。因此,无源滤波是目前广泛采用的抑制谐波及进行无功补偿的主要手段。无源滤波器的缺点在于其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定,只能消除特定的几次谐波,而对其它次谐波会产生放大作用,在特定情况下可能与系统发生谐振;谐波电流增大时滤波器负担随之加重,可能造成滤波器过载;有效材料消耗多,体积大。

有源滤波器(APF):图2为APF原理图,APF从补偿对象中检测出谐波电流,然后产生一个与该谐波电流大小相等极性相反的补偿电流,从而使电网电流只含有基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化

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的谐波进行跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的影

响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险。与无源滤波器相比,具有高度可控性和快速响应性,不仅能补偿各次谐波,还可抑制电压闪变,补偿无功电流,价格比较合理。另外,APF具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波,它已得到人们的重视,并将逐步推广应用。

于APF装置的成本较高,容量有限,目前APF的研究重点已转向由有源电力滤波器和无源电力滤波器构成的混合滤波系统(HPFS)。在HPFS中,谐波电流主要由无源电力滤波器滤除,有源电力滤波器主要用来改善无源滤波器的滤波效果,并抑制串联谐振的发生。与单独使用的APF系统相比,所需APF的容量大大减小,因此,HPFS可提高整个系统的滤波性能。参考文献[1]　任致程.电动机变频器实用手册[Z].北京:中国电力出版社,2004

[2]　霍利民,石新春.电力系统中的电力电子技术和谐波治理[J].电工技术杂志,2002(1)

[3]　吴忠智,吴加林.变频器应用手册[Z].北京:机

图2　APF原理图

按与电路拓朴结构分类,APF可分为串联型、并

联型、混合型和串-并联型。

并联型APF可等效为一受控电流源,主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。目前并联型有源滤波器在技术上已经成熟,它也是当前应用最为广泛的一种有源滤波器拓朴结构。

串联型APF可等效为一受控电压源,它通过一个匹配变压器将有源滤波器串联于电源和负载之间,以消除电压谐波,平衡或调整负载的端电压。与并联型有源滤波器相比,串联有源滤波器损耗大,且各种保护电路也较复杂,所以目前较少单独使用此类APF,国内外的研究多集中在其与LC无源滤波器构成的混合型APF上。

混合型APF就是将常规APF上承受的基波电压移去,使有源装置只承受谐波电压,从而可显著降低有源装置的容量,达到降低成本、提高效率的目的。其中LC滤波器用来消除高次谐波,APF用来补偿低次谐波分量。

串-并联型APF又称为电能质量调节器(UPQC),它具有串、并联APF的优点,可解决配电系统发生的绝大多数电能质量问题,造价比较高。虽然目前还处于试验阶段,但从长远的角度看,它将是一种很有发展前途的有源滤波装置。

有源滤波技术作为改善供电质量的一项关键技术,在日本、美国、德国等工业发达国家已得到了高度重视和日益广泛的应用。但是有源滤波器还有一些需要进一步解决的问题,诸如提高补偿容量、降低成本和损耗、进一步改善补偿性能、提高装置的可靠性等。由

械工业了出版社,2002.7

[4]　曾方.电力电子技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.7

收稿日期:2005-04-20

《电气开关》征稿说明

　　《电气开关》主要报导低压电器、防爆电器和电气传动控制装置方面的科研成果、设计制造经验;介绍新材料、新工艺的研究和应用以及上述产品的改进措施和实际运行经验。请按照本刊的报导内容,继续为本刊撰稿。来稿请按论文格式,文字规范化,语言简练、通顺,以便刊登。本刊不退稿,请留底稿。电子信箱:

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