怎么減輕變頻器產(chǎn)生的諧波

變頻器既可能是電能質(zhì)量差的來源，也可能是電能質(zhì)量的受害者。

變頻器作為受害者負(fù)載

盡管變頻器通常被描述為 PQ 場(chǎng)景中的罪魁禍?zhǔn)祝鼈円灿锌赡艹蔀槭芎φ哓?fù)載。

電容器切換瞬態(tài)

作為公用事業(yè)電容器切換特征的高能（相對(duì)低頻）瞬態(tài)可以通過服務(wù)變壓器、饋線和變頻器的轉(zhuǎn)換器前端直接傳遞到直流母線，在那里它通常會(huì)導(dǎo)致直流鏈路過壓跳閘。輸入二極管也可能被這些瞬變燒毀。

電壓失真

如果高壓失真表現(xiàn)為過度平坦的頂部，它將阻止直流鏈路電容器完全充電并降低變頻器的穿越能力。因此，通常不會(huì)影響變頻器的電壓驟降會(huì)導(dǎo)致變頻器在欠壓時(shí)跳閘。

接地不當(dāng)會(huì)影響變頻器內(nèi)部控制電路，造成不可預(yù)知的后果。

變頻器是罪魁禍?zhǔn)?/p>

變頻器絕對(duì)可以成為“罪魁禍?zhǔn)住保?duì)系統(tǒng) PQ 產(chǎn)生重大影響。但在我們談?wù)搯栴}之前，讓我們?yōu)樽冾l器對(duì) PQ 的積極影響說一句好話。首先，它們提供內(nèi)置的軟啟動(dòng)功能。這意味著不會(huì)有浪涌電流，也不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的其余部分產(chǎn)生電壓驟降影響。其次，如果變頻器是 PWM 類型，帶有二極管轉(zhuǎn)換器前端，則位移功率因數(shù)很高（在額定負(fù)載下通常 》 95 %）并且在整個(gè)范圍內(nèi)或多或少保持恒定。這意味著變頻器可以同時(shí)減少能源使用并校正位移功率因數(shù)。這也是一件好事，因?yàn)樽冾l器和功率因數(shù)校正電容不要混用。電容器容易受到變頻器產(chǎn)生的高頻諧波電流的影響，因?yàn)樗鼈兊淖杩闺S著頻率的增加而降低。

變頻器的類型對(duì) PQ 癥狀有重大影響，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)不同（轉(zhuǎn)換器或整流器將交流轉(zhuǎn)換為直流，是變頻器的第一級(jí)）。有兩種主要的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)類型。

帶有電壓源逆變器/可變電壓逆變器 （VSI/VVI） 的 SCR 轉(zhuǎn)換器

通常稱為六步變頻器，它們?cè)谄滢D(zhuǎn)換器前端使用 SCR（硅控整流器）（以下討論適用于 CSI，電流源逆變器變頻器，也使用 SCR）。VSI 和 CSI 變頻器設(shè)計(jì)傾向于應(yīng)用于較大的變頻器（》 100 HP）。SCR 轉(zhuǎn)換器通過打開（或“選通”）一部分所施加的正弦波的電流并在零交叉點(diǎn)處關(guān)閉來控制直流鏈路電壓。與二極管不同，SCR 需要用于柵極觸發(fā)的控制電路。

對(duì)于 SCR 變流器，影響線側(cè) PQ 的主要有三個(gè)問題：

換向槽口。SCR 切換或換向會(huì)導(dǎo)致兩相都處于“ON”狀態(tài)的短暫時(shí)刻。這實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)短路，從而導(dǎo)致線路電壓崩潰。這在電壓波形上顯示為“陷波”。這些缺口會(huì)導(dǎo)致高 VTHD 和瞬變。解決辦法是在變頻器前端串聯(lián)一個(gè)電抗器線圈或隔離變壓器來解決這兩個(gè)問題。

位移功率因數(shù)隨著變頻器速度的降低而下降。這并不像聽起來那么嚴(yán)重，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載的功率需求降低得更多。

諧波電流，通常為 5 次和 7 次，由 VSI 變頻器產(chǎn)生。

帶脈寬調(diào)制 （PWM） 變頻器

的二極管轉(zhuǎn)換器另一種更常見的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)使用二極管，用于 PWM 變頻器。二極管不需要開關(guān)控制電路。行業(yè)的主要趨勢(shì)之一是 PWM 變頻器的激增，這主要是由于在變頻器的逆變器部分（逆變器將直流變?yōu)橹绷鳎┲惺褂玫目焖匍_關(guān)、高效的 IGBT（絕緣柵雙極晶體管）的持續(xù)發(fā)展。交流）。出于所有實(shí)際目的，PWM 變頻器是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于二極管轉(zhuǎn)換器，主要的 PQ 問題是諧波。產(chǎn)生的實(shí)際諧波次數(shù)取決于前端二極管的數(shù)量。對(duì)于三相轉(zhuǎn)換，最少需要六個(gè)二極管。這種“六脈沖”轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生 5 次和 7 次諧波。如果使用 12 脈波轉(zhuǎn)換器，將產(chǎn)生 11 次和 13 次諧波而不是 5 次和 6 次 - 非常重要的是，對(duì)于相同的負(fù)載，11 次和 13 次的幅度將大大小于 5 次和 6 次。 因此，THD 會(huì)更小。然而，絕大多數(shù)變頻器都是六脈沖 PWM 風(fēng)格，這也是我們?cè)谙到y(tǒng)中看到如此多 5 次諧波的原因之一。

諧波解決方案

有多種緩解變頻器的解決方案產(chǎn)生的諧波：

諧波陷波濾波器

這些通常是并聯(lián)連接在諧波源（換句話說，在變頻器輸入端）的 LC 網(wǎng)絡(luò)。它們被調(diào)諧到略低于 5 次諧波（通常為 280 Hz），并且傾向于同時(shí)吸收 5 次和大部分 7 次諧波。顯然，它們的大小必須適合產(chǎn)生諧波的負(fù)載。

移相變壓器

這可以像三角形星形變壓器為一個(gè)變頻器供電，而三角形-三角形為另一個(gè)變頻器供電一樣簡單。這兩種配置之間存在 30 度相移效應(yīng)，這有效地消除了最近的上游 PCC（公共耦合點(diǎn)）處的諧波。當(dāng)兩個(gè)負(fù)載或多或少相等時(shí)，抵消效果最佳。

12 脈沖轉(zhuǎn)換器

如果 delta-wye/delta-delta 封裝在一起（delta 初級(jí)、delta 和 wye 次級(jí)）并且每個(gè)次級(jí)饋送兩個(gè)并聯(lián)的六脈沖轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)，則創(chuàng)建一個(gè) 12 脈沖前端，其中包含所有上面提到的好處。也可提供 18 脈沖設(shè)計(jì)。由于額外的成本，這種類型的解決方案往往只用于高 HP 負(fù)載。

有源濾波器

這項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)基于一個(gè)優(yōu)雅的概念——使用電力電子來解決電力電子產(chǎn)生的問題。感應(yīng)瞬時(shí)交流正弦波；然后，它通過產(chǎn)生相等和相反極性的諧波來主動(dòng)消除它檢測(cè)到的諧波，從而重新創(chuàng)建正弦波。商業(yè)封裝也可能提供電壓調(diào)節(jié)。

有源功率因數(shù)校正

另一種最近的解決方案是制造商使用快速開關(guān)技術(shù)提供轉(zhuǎn)換器前端，這種技術(shù)產(chǎn)生的諧波量最少，并且具有接近統(tǒng)一的功率因數(shù)（總功率因數(shù)和位移功率因數(shù)）。關(guān)于在特定情況下哪種諧波緩解方法可能被證明是最有效和經(jīng)濟(jì)的，還有討論的余地。然而，最終用戶經(jīng)常忽略的，從本節(jié)的信息中應(yīng)該清楚的是，變頻器系統(tǒng)的總成本應(yīng)該包括變頻器本身的成本和諧波抑制（無論是變頻器的一部分或單獨(dú)安裝）。

電力系統(tǒng)共振

是否可以安裝“功率因數(shù)校正電容器”而使功率因數(shù)變差？確實(shí)如此，理解這個(gè)難題的起點(diǎn)在于位移功率因數(shù) （DPF） 和總功率因數(shù) （PF） 之間的區(qū)別。不理解差異的懲罰可能是電容器燒毀和投資浪費(fèi)。

總功率因數(shù)和位移功率因數(shù)在一種基本意義上是相同的：它們是有功功率與視在功率的比值，或瓦特與 VA 的比值。位移功率因數(shù)是功率因數(shù)的經(jīng)典概念。它可以被認(rèn)為是基頻下的功率因數(shù)。總功率因數(shù)，縮寫為功率因數(shù) （PF），現(xiàn)在包括基波和諧波電流的影響（也稱為真實(shí)功率因數(shù)或失真功率因數(shù)，下圖）。因此，在存在諧波的情況下，功率因數(shù)始終低于位移功率因數(shù)，并且比單獨(dú)的位移功率因數(shù)更準(zhǔn)確地描述了總系統(tǒng)效率。

嚴(yán)格來說，術(shù)語“功率因數(shù)”指的是總功率因數(shù)，但實(shí)際上也可以用來指位移功率因數(shù)。不用說，這給功率因數(shù)的討論帶來了一些混亂。你必須清楚你在談?wù)撃囊粋€(gè)。

位移功率因數(shù)

較低的排量功率因數(shù)是由電機(jī)負(fù)載引起的，這些負(fù)載引入了對(duì)無功功率（伏安無功或 VAR）的需求。系統(tǒng)必須具有以伏安 （VA） 為單位測(cè)量的容量，以提供 VAR 和瓦特。需要的 VAR 越多，VA 要求越大，位移功率因數(shù)越小。VAR 的成本計(jì)入功率因數(shù)罰金。公用事業(yè)通常對(duì)低于一定水平的位移功率因數(shù)征收額外費(fèi)用；實(shí)際數(shù)字差異很大，但典型數(shù)字為 0.90 到 0.95。

為了減少由電機(jī)負(fù)載引起的 VAR，安裝了功率因數(shù)校正電容器。工廠和公用事業(yè)級(jí)別的上游系統(tǒng)容量已釋放并可用于其他用途。

從歷史上看，這一直是功率因數(shù)故事的要點(diǎn)：一個(gè)相對(duì)眾所周知的問題，具有相對(duì)簡單的解決方案。

諧波和電容器

諧波對(duì)我們的功率因數(shù)校正方法產(chǎn)生了巨大影響。上述電機(jī)和電容器負(fù)載都是線性的，并且對(duì)于所有實(shí)際目的都不會(huì)產(chǎn)生諧波。另一方面，諸如變頻器之類的非線性負(fù)載確實(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波電流。

以一家工廠為例，該工廠正在逐步將變頻器安裝到其電機(jī)負(fù)載上。變頻器會(huì)產(chǎn)生大量諧波電流（六脈沖轉(zhuǎn)換器變頻器上的第 5 次和第 7 次）。突然，現(xiàn)有功率因數(shù)校正帽上的保險(xiǎn)絲開始熔斷。由于這些是三相電容，三個(gè)保險(xiǎn)絲中只有一個(gè)可能會(huì)熔斷?，F(xiàn)在你有不平衡的電流，可能是不平衡的電壓。電工更換保險(xiǎn)絲。他們又吹了。他放入了更大的保險(xiǎn)絲。現(xiàn)在保險(xiǎn)絲還能用，但電容器燒斷了。他更換了電容器。同樣的事情發(fā)生。這是怎么回事？諧波是更高頻率的電流。頻率越高，電容的阻抗越低 （X C = 1/2πfC）。電容充當(dāng)諧波電流的吸收器。

電力系統(tǒng)共振

在最壞的情況下，變壓器的感抗 （X L ） 和功率因數(shù)校正電容的容抗 （X C ） 形成并聯(lián)諧振電路： X L = X C諧振頻率與諧波頻率相同或接近。負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流使電路產(chǎn)生振蕩。然后在該電路中循環(huán)的電流比勵(lì)磁電流大很多倍。這種所謂的“槽路”會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備，也會(huì)造成功率因數(shù)下降。相反，這種諧振條件通常僅在系統(tǒng)負(fù)載較輕時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)?a target="_blank">電阻負(fù)載的阻尼效應(yīng)被消除了。換句話說，我們有音頻愛好者所說的“高 Q”電路。

想象一下在星期一上班，看到電纜上的絕緣層融化了。在系統(tǒng)幾乎沒有任何負(fù)載的周末怎么會(huì)發(fā)生這種情況？歐姆定律被推翻了嗎？不完全的。你的電力系統(tǒng)剛剛度過了整個(gè)周末的諧波。這是一場(chǎng)盛大的派對(duì)，但現(xiàn)在是大掃除。

從諧波緩解開始

正確的解決方案始于測(cè)量和減輕變頻器產(chǎn)生的諧波。通常需要諧波陷波濾波器。這些陷波濾波器就地安裝在變頻器的線路側(cè)。它們的作用與傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正帽非常相似，在兩個(gè)方面：它們降低了位移功率因數(shù)和功率因數(shù)，并且它們還定位了問題諧波的循環(huán)（通常是第 5 次）。諧波抑制和傳統(tǒng)的位移功率因數(shù)校正應(yīng)該作為一個(gè)系統(tǒng)問題來解決。換句話說，管理總功率因數(shù)，而不僅僅是位移功率因數(shù)。
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