【變頻器諧波對(duì)調(diào)速水泵機(jī)組效率的影響探析2900字（論文）】

變頻器諧波對(duì)調(diào)速水泵機(jī)組效率的影響分析目錄TOC\o"1-2"\h\u26624變頻器諧波對(duì)調(diào)速水泵機(jī)組效率的影響分析 1197關(guān)鍵詞：變頻器諧波；水泵機(jī)組；效率；影響 13250一、變頻器諧波的形成原理概述 110026二、水泵機(jī)組效率試驗(yàn) 16713三、分析變頻器諧波對(duì)調(diào)速水泵機(jī)組效率的影響 211794參考文獻(xiàn)： 3摘要：變頻器諧波對(duì)調(diào)速水泵機(jī)組效率可產(chǎn)生一定的影響，為了進(jìn)一步明確分析該影響，本文分析了變頻器諧波的形成機(jī)理，并進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試研究，最終得出抑制變頻器輸出諧波可以提高調(diào)速泵機(jī)組的效率。最后，本文構(gòu)建了相關(guān)濾波裝置，以求最大程度上提高水泵機(jī)組的運(yùn)行效率。關(guān)鍵詞：變頻器諧波；水泵機(jī)組；效率；影響水泵是供水工程中主要的設(shè)備之一，一旦選型錯(cuò)誤，會(huì)損耗大量的能量和能源，而流量調(diào)節(jié)方式的正確與否也直接影響水泵的能量消耗。只有合理調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，才能最大程度上節(jié)省能源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)裝置的最佳運(yùn)行效率[1]。而所有調(diào)速方式中，變頻方式應(yīng)用較為廣泛，該種調(diào)速方式利于控制，范圍寬，但是變頻器的諧波卻對(duì)水泵機(jī)組效率具有一定的影響，對(duì)此，本文進(jìn)行了相關(guān)研究與分析。一、變頻器諧波的形成原理概述在水泵機(jī)組通過(guò)變頻器調(diào)速過(guò)程中，調(diào)整變頻器的輸出頻率可以控制異步電動(dòng)機(jī)的速度，具體的變頻調(diào)速系統(tǒng)由變頻器（VVVF）、水泵（P）和異步電動(dòng)機(jī)（M）組成[2]。這種系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍比較廣。變頻器工作原理多為交-直-交原理。具體的原理流程為：處于輸入端位置的恒壓恒頻的交流電，在整流濾波后形成較為穩(wěn)定幅值的直流電壓，然后到逆變器上，接下來(lái)，逆變器控制回路，控制輸出頻率和電壓，最終實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速協(xié)調(diào)U/f的目標(biāo)，進(jìn)而調(diào)整電動(dòng)機(jī)速度，調(diào)節(jié)水泵機(jī)組的工況。通常情況下，PWM型逆變電路是變頻器的輸出側(cè)多采用的電路，逆變輸出回路中輸出經(jīng)載波信號(hào)形成的脈沖電流和電壓中含有大量基波以及高次諧波。諧波次數(shù)通常使用6n±1的方式來(lái)表示，n=1，2，3……二、水泵機(jī)組效率試驗(yàn)本文以西門子10KV高壓水泵配以西門子G150變頻器形成的水泵機(jī)組為例進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)位置為變壓器的總開(kāi)關(guān)（變壓器下端互感器上），試驗(yàn)儀器為CA8332電能質(zhì)量分析儀。經(jīng)測(cè)試后的2號(hào)變頻器的測(cè)試數(shù)據(jù)為：運(yùn)行電流是216A，總電流諧波畸變率為46%，其中電流諧波頻譜是5次，這5次諧波頻譜的畸變絕對(duì)值是25A；而電壓運(yùn)行為746V，總電壓的諧波畸變率是6.8%，明顯高于國(guó)際限值2.8%；此外，有功功率是356Kw，390kVA是其視在功率，而無(wú)功功率是158kvar，其自然功率因數(shù)是0.91.具體的變頻輸入圖如下所示。圖1：2號(hào)變頻器的測(cè)試圖經(jīng)由測(cè)試結(jié)果可知，變頻器總電流的諧波畸變較大，這是用電質(zhì)量面臨的主要問(wèn)題。為了進(jìn)一步驗(yàn)證變頻諧波對(duì)調(diào)速水泵機(jī)組效率的影響，本文對(duì)變頻調(diào)速水泵機(jī)組進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。圖2：試驗(yàn)系統(tǒng)該系統(tǒng)所使用的儀器儀表有高頻電參數(shù)測(cè)量?jī)x、流量計(jì)、扭矩傳感器和變頻器等。對(duì)變頻器fn=50Hz時(shí)的濾波前后的電動(dòng)機(jī)的輸入電壓波形進(jìn)行記錄和比較，最終發(fā)現(xiàn)，濾波前，電壓波形非正弦波，但是經(jīng)濾波后電壓波形趨于標(biāo)準(zhǔn)化的正弦波。究其原因，主要是因?yàn)镾PWM波控制變頻器的輸出電流和電壓所致。該電壓波形經(jīng)由傅氏級(jí)數(shù)分解后則可以很清晰的看出其內(nèi)含的高次諧波成分。對(duì)比濾波前后的水泵機(jī)組和電動(dòng)機(jī)效率可知，轉(zhuǎn)速降低后，其水泵的效率也隨之降低，當(dāng)降至20Hz時(shí)，水泵的效率則下降了6%。而對(duì)比濾波前后的水泵的效率和電動(dòng)機(jī)效率可知，濾波后，這兩種效率較濾波前均有所提高，對(duì)應(yīng)至20Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率提升了9%，而水泵的效率提升了3%，前者的提高幅度高于后者。就水泵機(jī)組的效率而言，其效率與頻率呈正相關(guān)，頻率下降后，效率也隨之下降，而濾波前后的效率差則隨之增大。可見(jiàn)，對(duì)變頻器的輸出諧波進(jìn)行濾波可以有效的擴(kuò)大變頻調(diào)速水泵機(jī)組的調(diào)速范圍。三、分析變頻器諧波對(duì)調(diào)速水泵機(jī)組效率的影響1、變頻器諧波影響水泵機(jī)組中的電動(dòng)機(jī)由試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)由變頻器輸出的電流和電壓均具有諧波，會(huì)造成恒壓恒頻對(duì)稱的正弦波電源供電下的性能和電動(dòng)機(jī)的性能出現(xiàn)差別。這是變頻器諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的主要影響。具體的影響為[3]：①高頻電流引發(fā)集膚效應(yīng)，增加渦流損耗和磁滯，最終增加電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的繞組和鐵心的附加損耗。因此，異步電動(dòng)機(jī)如果存在諧波電壓供電，則需增加電負(fù)荷和磁負(fù)荷，以此來(lái)降低功率因數(shù)和效率。②變頻器諧波會(huì)致使電動(dòng)機(jī)的繞組溫度提高，一旦沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)由長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組的絕緣功能造成影響，使其快速老化，最終影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。③變頻器的諧波效應(yīng)可以形成電動(dòng)機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，最終出現(xiàn)噪聲，形成振動(dòng)，嚴(yán)重影響水泵機(jī)組的工作穩(wěn)定性，最終干擾整個(gè)控制系統(tǒng)的工作效率。2、電動(dòng)機(jī)效率影響水泵機(jī)組的能耗水泵機(jī)組的輸入功率用P1表示，定量計(jì)算公式為：P1==。在該公式中，Q表示的是流量（m3/h）；H表示的是揚(yáng)程（m）；ηP是水泵效率（%）；ηv是變頻效率（%）ηm是電動(dòng)機(jī)效率（%），ηg是水泵機(jī)組效率（%）。由公式可知，當(dāng)諧波降低電動(dòng)機(jī)的效率后，整個(gè)水泵機(jī)組的功率則會(huì)增加。而電動(dòng)機(jī)效率的計(jì)算方法為：ηm=Pout/Pin，Pout是電動(dòng)機(jī)輸出功率（kW），Pout=Mn/9550，M代表扭矩，N·m；n代表轉(zhuǎn)速（r/min），Pin則是電動(dòng)機(jī)輸入功率（kW）。此次研究中，變頻器的功率較大，近似1，所以將電動(dòng)機(jī)效率帶入P1公式中，最終得出P1=。由此可知，電動(dòng)機(jī)輸入功率越大，水泵機(jī)組的功率則越大，而能耗則相對(duì)應(yīng)的也越大。解決方案因?yàn)樽冾l器諧波對(duì)水泵機(jī)組效率有所影響，所以，針對(duì)負(fù)載狀況可以安裝有源濾波裝置，有源濾波裝置由連接電抗器、電力電子功率模塊、控制系統(tǒng)和斷路器等構(gòu)件組成。以此來(lái)抑制諧波，降低諧波對(duì)設(shè)備的干擾。有源濾波器的作用原理為使用電流互感器檢測(cè)負(fù)載的電流，或者是檢測(cè)系統(tǒng)，然后對(duì)諧波電流進(jìn)行提取，利用IGBT逆變模塊形成新的諧波去抵消負(fù)載產(chǎn)生的諧波。新形成的諧波同負(fù)荷諧波電流大小相同，方向相反。通過(guò)這種抵消方式來(lái)降低系統(tǒng)側(cè)的諧波電流，濾掉諧波。有源濾波裝置的應(yīng)用過(guò)程為，首先，對(duì)接觸器進(jìn)行合閘處理，然后裝置即可限制電阻對(duì)電容的充電過(guò)程，這種方式可以限阻上電過(guò)程產(chǎn)生的瞬間電流。一旦電容壓趨于穩(wěn)定時(shí)，斷路器則會(huì)自行合閘，然后開(kāi)啟逆變裝置。這個(gè)時(shí)候需要對(duì)接觸器進(jìn)行再度斷開(kāi)處理。這整個(gè)系統(tǒng)中，電容是一種儲(chǔ)能元件，可以使用內(nèi)部電抗器和IGBT逆變器向外輸出電流。整個(gè)系統(tǒng)由外部的CT來(lái)測(cè)量電網(wǎng)電流和負(fù)載電流，然后將其輸送至信號(hào)板做出相關(guān)處理。系統(tǒng)中的控制板的作用是計(jì)算負(fù)荷諧波電流，并閉環(huán)控制諧波電流補(bǔ)充，將最終形成的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸送至驅(qū)動(dòng)板。最終，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)板處理的逆變器的IGBT電流注入到供電系統(tǒng)中，此時(shí)的逆變器的IGBT電流同無(wú)功率分量和諧波大小相同，方向相反。整個(gè)系統(tǒng)就是通過(guò)這種方式來(lái)抑制諧波。將整個(gè)系統(tǒng)安裝至柜體中后，要做好通風(fēng)散熱處理，定期做好運(yùn)行維護(hù)，保障裝置的高效和安全運(yùn)行?？偨Y(jié)：通過(guò)本次研究得出，在20-50Hz范圍內(nèi)，經(jīng)由試驗(yàn)后，濾波后機(jī)組效率較濾波前有所提高，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的效率也得以提升，提高的百分比分別為1%-3%和3%-9%。由此可見(jiàn)，要想提高調(diào)速水泵機(jī)組的效率，必須對(duì)變頻器諧波進(jìn)行濾波處理，但是，目前的濾波處理技術(shù)仍然不夠完善，亟待相關(guān)部門和研究單位進(jìn)一步研究和優(yōu)化。參考文獻(xiàn)：[1]張永,呂建剛,劉繼光.變頻器諧波產(chǎn)生