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变频器广泛应用对电力系统的影响

更新时间:2014-08-02 发布:m.1024sj.com

简介:然而变频器在节能、改善人类生活情况、提高产物质量和提高工业自动化水平方面做出庞大进献的同时也将发生一些负面效应。要害字:对电力系统的影响变频器主要用于交流电念头转速的调理,是理想的调速方案,随着中国经济的整体快速成长,市场对产物的要求慢慢提高,变频调速以其自身所具有的调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点,在许多需要切确速度控制的运用中阐扬着提高产物质量和生产效率的作用。其除具有优良的调速性能之外,还有显著的节能效果,不仅在相关工业行业,变频家电在勤俭电费、提高家电性能、庇护情况等方面的优势也获得了用户的普遍认可和普遍运用[1>[2>。然而变频器在节能、改善人类生活情况、提高产物质量和提高工业自动化水平方面做出庞大进献的同时也将发生一些负面效应。2变频器发生谐波变频器凭据有无中心直流环节来分,可以分为交交变频器和交直交变频器,在交直交变频器中,按中心直流滤波环节的分歧,可分为电压源型和电流源型。交交变频器结构简图如图1所示,其只能下降频率,同时输出电压波形中含有较年夜的谐波,输进电流谐波严重且功率因数低,在很多运用领域,这些都是不能接受的技术缺陷,往往采用具有中心直流环节的交直交变频器。交直交变频器结构简图如图2所示,由于交直交变频器中含有整流电路,可控硅元件的导通与关断一样会因其非线性发生谐波,从装备流出的谐波因变流器回路的种类及其运转状态、系统条件等分歧发生分歧的影响[3>。2.1谐波的发生变频器输进部门电压主波形为正弦波,但电流波形为非正弦波,这是由整流环节及其开关元件的参数离散所引发的[4>。今朝,变频器年夜部门采用三相桥式整流电路,输进电流的波形为三相对称的矩形波,经傅立叶级数分化为基波和6n 1次特征谐波(n=l,2,3,),但现实上由于存在换相堆叠角、触发脉冲不服衡等不定身分,使得少许的非特征谐波同时存在。谐波含有率随变频器输出电压升高而减小,而基本不受其输出频率和电流的影响[7>。具体输进侧电流各次谐波的实测值见图3,可见主要是5次、7次、11次、13次等特征谐波,同时含有少许的非特征谐波[5>。变频器逆变环节往往采用正弦脉宽调制法(SPWM)法,其输出部门线电压是正弦脉宽、幅值相等的窄矩形波,其三相的相电压是阶梯波,如图4所示,其非线性是由SPWM脉宽调制的性质所定的;电流波形和载波频率比有关,载波频率比越高,越接近正弦波,波形中会含有和载波频率相关的高次谐波,高次谐波电流对负载直接干扰,还会经由过程电缆向空间辐射,干扰临近电气装备。随着变频器在各行各业的运用面扩年夜,单机容量的加年夜和使用变频器的总容量的增年夜,是以谐波污染电源及对四周其他装备的影响就日益严重,甚至造成其他电子装备不能正常工作。非凡是供电线路上凡是毗连电力电容器,很轻易发生并联谐振,使整流器和其它电器装备因过电流尽缘损坏或烧坏。这样的事故近几年的发生率呈上升趋向。2.2变频器四周电气装备受谐波的影响毗连变频器的电源系统往往有并联有电力电容器、发机电、变压器、电念头等负载,变频器发生的高次谐波电流按着各自的阻抗分配到电源系统和并联负载.下面叙述高次谐波电流对各电器装备的影响。(1)电力电容器凭据IEC尺度划定一般电容器年夜电流只答理35%的超载。现实运转时由于谐波的影响常发生严重过载。电容器阻抗随频率的增加而削减,故发生谐波时,电容器即成为一陷流点流人年夜量电流,致使过热、增加介电质的应力,甚至损坏电力电容器。当电容器与线路阻抗到达共振条件时,会发生振动短路、过电流及发生噪声[8>。(2)同步发机电变频器发生的高次谐波电流在同步发机电的激磁绕组中会发生感应电流,引发消耗增加,可能致使机电过热、尽缘下降、寿命缩短等[2>。(3)变压器电流谐波将增加变压器铜损,电压谐波将增加铁损,综合效果是使变压器温度上升,影响其尽缘能力,并造成容量裕度减小。谐波也可能引发变压器绕组及线间电容之间共振,及引发铁心磁通饱和而发生噪声。(4)电念头谐波会引发电念头附加发烧,致使电念头额外温升,电念头往往要降额使用。假设输进电念头的波形失真,会增加其重复峰值电压,影响电念头的尽缘[2>。(5)电力电子装备电力电子装备在多种场所是发生谐波的谐波源,但他自身也很轻易感受谐波失真而误动作。这类装备靠着电压的过零点或电压波形来控制或操作,若电压有谐波成份时,零点移动、波形改变,造成许多误动作[6>。(6)庇护继电器由于高次谐波的影响,可能引发继电器过电压、发生尽缘损坏、振动引发的机械破坏等等。对于以有用值为基准而动作的继电器,高次谐波的存在使得继电器在接近额定值处也有误动作的可能[3>。(7)指示电气仪表电能表等计量仪表会因谐波而造成感应转盘发生额外的电磁转矩,引发误差,下降切确度。20%的5次谐波将发生10%-15%的误差。过年夜的谐波电流,也很轻易使仪器里的线圈损[8>。2.3变频器谐波抑制措施对小容量的通用变频器,高次谐波很少成为问题,但当使用的变频器容量年夜或数目多时,往往就会发生高次谐波电流和高次谐波干扰问题,是以对于高次谐波先接纳适当的对策和预防措施长短常重要的。2.3.1改善变频器结构可以从变频器自身硬件结构或整个变频系统的构建方式和装备选择等方面斟酌,从基本上削减变频系统注进电网的谐波、无功等污染。(1)变频系统的供电电源与其他装备的供电电源相互自力,或在变频器和其他用电装备的输进侧安装隔离变压器[9>;(2)在整流环节采用多重化技术,提高脉波数,可以有用地提高特征谐波次数,下降特征谐波幅值。对于年夜容量晶闸管变频器可以接纳这类方式,哄骗多重化抑制流向电源侧的高次谐波[11>;(3)采用高频整流电路,改善整流波形,提高功率因数,直流电压可调理[11>;(4)逆变环节采用高开关频率高的电力电子器件,如MOSFET,IGBT等,可以提高载波频率比,抑制变频器输出真个高频谐波。(5)在逆变环节采用多重化技术,提高脉波数,使输出的电流电压波形加倍接近正弦波。但重数越多电路越复杂,靠得住性会随之下降,三重化电路可以兼顾输出波形质量和装备靠得住性,较理想[12>。2.3.2采用合适的控制策略从变频器控制器这一点动身,可采用更合适的控制策略或在原来的控制策略根蒂根基上作点优化和改良,原理上更年夜限度地削减谐波的发生。以现实运用中经常使用的正弦脉宽调制法(SPWM)法和特定消谐法(SHE)法为例。凭据SPWM基本理论,当调制波频率为fr,载波频率为fc,载波频率比N=fc/fr,单极性SPWM控制在输出电压中发生N-3次以上的谐波,双极性SPWM控制在输出电压中发生N-2次以上的谐波[11>。好比,N=25,采用单极性SPWM控制,低于22次的谐波全被消除,采用双极性SPWM控制,低于23次的谐波全被消除。但输出电压频率较高的时辰,由于遭到元件开关频率的限制,N值不成能年夜,SPWM控制的优势就不太较着了,这个时辰选择SHE法可以在开关次数相等的情况下输出质量较高的电压、电流,下降了对输进、输出滤波器的要求[10>。2.3.3接纳滤波电路在变频器外部接纳措施,综合斟酌变频器注进电网的特征谐波和个体变频器的特有非特征谐波特征,制定滤波方案对污染源进行治理。也即凡是说的先污染,后治理。只用滤波器效果其实不理想,与上述二类方式配合作用更生效。(1)若变频器输进侧没有装设专用变压器,可在输进侧接进交流电抗器(ACL)使整流阻抗增年夜,抑制高次谐波电流[8>[9>。(2)在变频器和电网系统间的电力回路中使用交流滤波器。交流滤波器有调谐滤波器和二次型滤波器,调谐滤波器用于单次谐波的吸收,而二次型滤波器则适用于多个高次谐波的吸收,一般两者组合使用,消除某个单次谐波同时滤除某次及以上的谐波[6>[9>。(3)在变频器输出端加LC滤波器可以滤除变频器输出的高次谐波,且可以延长PWM的上升沿,减小dV/dt,从而抑制变频输出过电压。假设采用LC滤波器接外壳,还可以滤除变频器输出的零序份量,避免零序电压经定子绕组与定、转子边的寄生电容发生的电流对机电等装备造成损害[10>。5变频器输进电流不合错误称5.1输进电流不合错误称及其影响工业运用中的交直交电压型变频器往往采用三相桥式结构,低载运行时交流电源输进侧输进电流不合错误称会引发三相功率因数不服衡现象。这主要是由于中心直流环节不是无限年夜容量,在现实运行中存在充放电进程,变频器满载运行时,输进输出电流接近额定值,充放电电流影响不年夜,可是变频器在启动后未到达额定功率前或在低载的状态稳定运行的情况下,由于输进输出电流也很是的小,充放电电流的影响就不能疏忽。下面以图5所示交直交变频器为例,对低载工况下,充放电电流引发的输进电流不合错误称现象发生原理进行简单分析。输进三相对称电压Ua、Ub、Uc,频率为ƒ0,一般来说输进为工频电压,ƒ0=50Hz。直流环节电压Uc波形如图6所示,为一系列纹波。则直流侧电容响应的充放电电流iD波形如图7所示,其频率为3ƒ0,变频器逆变环节的输进电流i2主要由变频器负载特征决议,对纯阻性负载而言,i2应当是一系列正弦半波,如图8所示。由图5可见变频器整流环节输出电流i1应是i2和iD的矢量叠加,叠加后的波形如图9所示。凭据三相全控桥式6脉波整流原理可以推得变频器输进侧三相电流如图10、11、12所示,显然三相波形严重不合错误称,A相电流的有用值较B、C两相都年夜。则在一定的有功输进情况下,由于输进电压三相对称,计较获得A相的视在功率比B、C两相年夜,是以A相的无功功率较年夜,功率因数较低,三相功率因数泛起不服衡。本文分析是A相浮现得功率因数偏低,现实变频装备运行时,凭据其输出频率和整流、逆变环节控制方式的分歧,功率因数偏低现象有可能泛起在B相或C相。5.2现实测试成效为验证变频器输进电流不合错误称引发的功率因数不服衡现象,以杭州市某自来水厂使用的变频器为例,于2005年11月14日采用TOPAS1000电能质量测试仪对变频器输进侧进行了测试。该变频器输进工频380(V)3订交流电,送出5~9kHz的二次交流电,二次电压为540(V)左右,测试时代慢慢梯次增加变频器输进有功功率,逐次记实分歧有功功率水平下的输进电压、电流、视在功率和功率身分。输进功率为33kW时,在变频器输进端丈量获得电流波形如图13所示,可见B相电流较A、C两相差异很年夜,随着输进功率的增加,B相电流和A、C两相的电流波形越来越接近,图14和图15划分是输进功率为54kW和85kW时输进侧电流波形。分歧功率水平下测得的输进电压、电流、视在功率和功率因数的对好比表1所示。显然,输进功率为33kW时,三相的功率因数显著不服衡,B相的功率因数较着偏低,输进功率为54kW,B相功率因数有了很年夜改善,输进功率增加到85kW,B相功率因数和A、C两相已然差异不年夜。图15变频器工作功率为85kW时输进侧电流波形5.3改善变频器输进电流不合错误称措施从今朝的研究看来,输进电流不合错误称现象存在的时间段往往不长,且只在部门拓扑类型的变频器中体现,从5.1中的分析来看,整流电路简单的控制方式和直流侧电容容量的限制是造成输进电流不合错误称的主要身分,是以本文就改善输进电流不合错误称现象,提出以下几条建议:(1)变频器尽量在额定的功率下运行,使得直流环节的充放电电流影响变得相对微弱;(2)直流环节的电容器容量不宜选择的太小,保证一定的容量以下降充放电电流的波动幅值,改善整流环节输出电流的畸变水平,可以较好的改善变频器输进电流的不合错误称水平;(3)变频器整流环节可以采用更优化的整流变换电路,好比高频整流电路,可以改善整流输进波形,提高功率因数,且功率可双向流动,直流侧电压调理特征好;(4)可以对整流环节接纳多重化技术,提高整流电路的脉波数,下降整流环节输出电压的波动性,削减直流环节电容器的充放电电流值。另外,还可以综合整流、逆变环节斟酌,合理肯定整流和逆变电路的开关触发角,使整流电路输进电流的三相波形尽量对称,这个方面还有待进一步的研究。6不及格电能对变频器自己的影响变频器发生谐波和造成功率因数不服衡破坏电网的电能质量,年夜量变频器的普遍运用对电网酿成的污染越来越严重,首当其冲的是影响到其自身的正常运行。变频器发生的谐波电流在系统阻抗上发生压降,使得其输进电压波形发生畸变,长时间运行在这样的情况下,开关消耗年夜年夜增加,开关元件寿命年夜年夜缩短,变频器很轻易损坏;变频器在输进波形失真的情况下长时间运行,会致使整流环节控制失灵[6>,引发开关元件误动作,甚至在开关进程发生过电压烧坏元器件;假设不实时接纳响应措施改善输进波形,不仅影响到变频器的正常工作,还会造成份别与变频器输进端和输出端毗连的相关电气装备烧损。这样的实例也越来越多,在近几年的工作中已屡次目击类似事故。7竣事语年夜量变频器的普遍运用对电网酿成的污染越来越严重,以谐波污染为典型,其他方面的不良影响也随着对变频器的深进研究起头逐渐凸现,放任问题的严重化和扩年夜化而不提早接纳合理有用的措施,不管从谐波治理效果仍是治理成本方面斟酌都是流失好时机。本文从硬件结构、控制策略和外接滤波电路等三个方面提出了一系列抑制变频器谐波污染的方式和措施,变频器分歧环节发生的谐波有针对的抑制措施,对于变频系统一个整体而言,综合运用各类措施对于改善变频系统的输进输出波形指标会更有用;另外本文对变频器低载时发生的输进电流不合错误称引发功率因数不服衡现象作了分析,并提出了响应的改善建议。
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