高壓變頻器的特征和結(jié)構(gòu)分析和諧波污染及治理

1、高壓變頻器的特征和結(jié)構(gòu)分析和諧波污染及治理    1 高壓變頻器的結(jié)構(gòu)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(diǎn)是具有四象限運(yùn)行能力，能很方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的制動(dòng)功能。缺點(diǎn)是需要對(duì)逆變橋進(jìn)行強(qiáng)迫換流，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較為困難。另外，由于電網(wǎng)側(cè)采用可控硅移相整流，故輸入電流諧波較大，容量大時(shí)對(duì)電網(wǎng)會(huì)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(diǎn)是不能進(jìn)行四象限運(yùn)行，當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)需要制動(dòng)時(shí)，需要另行安裝制動(dòng)電路。功率較大時(shí)，輸

2、出還需要增設(shè)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(yīng)用在中、高壓環(huán)境中而得名。原理是通過(guò)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(guò)升壓變壓器變換成電機(jī)所需要的電壓等級(jí)。這種方式，由于采用標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)，容量小的時(shí)侯（<500KW）改造成本較直接高壓變頻器低。缺點(diǎn)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(duì)供電系統(tǒng)，負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)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(yīng)用中，諧波干擾問(wèn)題尤為突出。本文從變頻器工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，從隔離、濾波和接地三個(gè)方面全面闡述了抑制和消除干擾的方法線路板維修，對(duì)提高變頻器等工業(yè)設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性提供參考。一、變頻器諧波產(chǎn)生機(jī)理    凡是在電源側(cè)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(jí)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(cè)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(wèn)題由來(lái)已久，近年來(lái)這一問(wèn)題因由于兩個(gè)因素的共同作用變得更加嚴(yán)重。這兩個(gè)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(guān)設(shè)備的使用迅猛增長(zhǎng)，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(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流注入電網(wǎng)，使變壓器低壓側(cè)諧波電壓升高，低壓側(cè)負(fù)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(guò)供電變壓器傳遞到高壓側(cè)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(shè)備產(chǎn)生的，使供電系統(tǒng)中的中性線電流很大。當(dāng)中性線上有較大的諧波電流時(shí)，中性導(dǎo)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(jì)算機(jī)和各種微電子系統(tǒng)的正常工作，使控制設(shè)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(gè)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(jié)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(dòng)機(jī)銅損和鐵損增加，溫度上升。同時(shí)諧波電流會(huì)改變電磁轉(zhuǎn)距，產(chǎn)生振動(dòng)力矩，使電動(dòng)機(jī)發(fā)生周期性轉(zhuǎn)速變動(dòng)，影響輸出效率，并發(fā)出噪聲。開(kāi)關(guān)設(shè)備    由于諧波電流使開(kāi)關(guān)設(shè)備在起動(dòng)瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率，使暫態(tài)恢復(fù)峰值電壓增大，破壞絕緣，還會(huì)引起開(kāi)關(guān)跳脫、引起誤動(dòng)作。保護(hù)電器電流中含有的諧波會(huì)產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)距，改變電器動(dòng)作特性，引起誤動(dòng)作，甚至改

7、變其操作特性，或燒毀線圈。計(jì)量?jī)x表    計(jì)量?jī)x表因?yàn)橹C波會(huì)造成感應(yīng)盤(pán)產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)矩，引起誤差，降低精度，甚至燒毀線圈。電力電子設(shè)備    電力電子設(shè)備通?？烤_電源零交叉原理或電壓波形的形態(tài)來(lái)控制和操作，若電壓有諧波成分時(shí)，零交叉移動(dòng)、波形改變、以致造成許多誤動(dòng)作。上海三廣數(shù)碼科技有限公司在維修行業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯，除了強(qiáng)大的技術(shù)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(kāi)關(guān)電源以及各種常用電子元件的供應(yīng)問(wèn)題。    1.4高高變

8、頻器    高高變頻器無(wú)需升降壓變壓器，功率器件在電網(wǎng)與電動(dòng)機(jī)之間直接構(gòu)建變換器。由于功率器件耐壓?jiǎn)栴}難于解決，目前國(guó)際通用做法是采用器件串聯(lián)的辦法來(lái)提高電壓等級(jí)，其缺點(diǎn)是需要解決器件均壓和緩沖難題，技術(shù)復(fù)雜，難度大。但這種變頻器由于沒(méi)有升降壓變壓器，故其效率較高低高方式的高，而且結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)直接的高壓變頻，目前電壓可達(dá)10KV。由于直流環(huán)節(jié)使用了電感元件，其對(duì)電流不夠敏感東芝CT維修，因此不容易發(fā)生過(guò)流故障，逆變

9、器工作也很可靠，保護(hù)性能良好。其輸入側(cè)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(shí)要考慮對(duì)電網(wǎng)的污染和對(duì)通信電子設(shè)備的干擾問(wèn)題。均壓和緩沖電路，技術(shù)復(fù)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(qiáng)迫換流，發(fā)熱量也比較大，需要解決器件的散熱問(wèn)題。其優(yōu)點(diǎn)在于具有四象限運(yùn)行能力，可以制動(dòng)。需要特別說(shuō)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(cè)安裝高壓自愈電容。              &

10、#160;                                 1.4.2高高電壓型變頻器    電路結(jié)構(gòu)采用IGBT 直接串聯(lián)技術(shù)，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(jìn)行濾波和儲(chǔ)能，輸出電壓可達(dá)6KV，其優(yōu)

11、點(diǎn)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?qū)崿F(xiàn)互為備用，或者進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)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(dòng)機(jī)或整加高壓正弦波濾波器，其成本會(huì)增加許多。它不具有四象限運(yùn)行功能，制動(dòng)時(shí)需另行安裝制動(dòng)單元。這種變頻器同樣需要解決器件的均壓?jiǎn)栴}，一般需特殊設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路和緩沖電路。對(duì)于IGBT驅(qū)動(dòng)電路的延時(shí)也有極其苛刻的要求。一旦IGBT的開(kāi)通、關(guān)閉的時(shí)間不一致，或者上升、下降沿的斜率相差太懸殊，均會(huì)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(shí)現(xiàn)二極管中點(diǎn)嵌位，也可以實(shí)現(xiàn)三電平或更多電平的輸出，其技術(shù)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(shè)置輸入變壓器，它的作用是隔離與星角變換，能夠?qū)崿F(xiàn)12脈沖整流，并提供中間嵌位零電平。通過(guò)輔助二極管將IGBT等功率器件強(qiáng)行嵌位于中間零電平上，從而使IGBT兩端不會(huì)因過(guò)壓而燒毀，又實(shí)現(xiàn)了多電平的輸出。這種變頻器結(jié)構(gòu)，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(shè)懸浮電容的辦法實(shí)現(xiàn)了功率器件的嵌位，目前這種變頻器應(yīng)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(lái)的一種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)，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(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)，無(wú)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(gè)功率單元，每相由6臺(tái)功率單元相串聯(lián)，并組成Y形連接，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。每臺(tái)功率單元電路、結(jié)構(gòu)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(tái)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(tái)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(diǎn)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(dá)36，功率因數(shù)高，輸入諧波小。  模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便，增強(qiáng)了產(chǎn)品的互換性。  直接高壓輸出，無(wú)需輸出變壓器。  極低的dv/dt輸出，無(wú)需任何形式的濾波器。  采用光纖通訊技術(shù)，提高了產(chǎn)品的抗干擾能力和可靠性。  功率單元自動(dòng)旁通電路，能夠?qū)崿F(xiàn)故障不停機(jī)功能。     計(jì)算機(jī)和一些其它電子設(shè)備，通常要

15、求總諧波電壓畸變率(THD)小于5%，且個(gè)別諧波電壓畸變率低于3%，較高的畸變量可導(dǎo)致控制設(shè)備誤動(dòng)作，進(jìn)而造成生產(chǎn)或運(yùn)行中斷，導(dǎo)致較大的經(jīng)濟(jì)損失。電力電纜    高頻諧波電流會(huì)在導(dǎo)體中引起集膚效應(yīng)，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(huì)超過(guò)相電流，使中性線發(fā)熱，加速絕緣層老化，甚至引起火災(zāi)。此外當(dāng)中性線上有較大的諧波電流時(shí)，導(dǎo)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(duì)高次諧波阻抗減小，

16、因過(guò)電流而導(dǎo)致溫度升高過(guò)熱、甚至損壞電容器；電容器與系統(tǒng)中的感性負(fù)荷構(gòu)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(cè)采用可控硅移相控制整流，控制電動(dòng)機(jī)的電流，輸出側(cè)為強(qiáng)迫換流方式，控制電動(dòng)機(jī)的頻率和相位。能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。1.3.2高低高電壓型變頻器