交流驱动的谐波过滤

发布时间：2007-03-30 作者：Rick Hoadley，Rockwell Automation 技术总监

　　作为交流感应电机控制的一个环节，可调速驱动器接收三相交流正弦电并将其转化成直流电，在此过程中，可调速驱动器本身就会产生谐波电流。对于交流驱动的谐波产生和抑制，请记住：
　　1) 无论功率转换器是由二极管，可控硅整流器式还是由带有惯性二极管的绝缘栅双极型晶体管组成的，它们都会在打开和关闭的时候产生谐波。
　　2) 谐波电流会使功率转换器的供电线路上产生电压失真。
　　3) 一些种类的功率转换器会产生导线陷波，进而引起电压失真。与直流电机驱动相比，交流电机驱动的谐波使其很少产生问题。糟糕的设计会给配电设备以及连接在配电系统上的其它设备带来很多问题。
　　寻找问题产生的原因
　　随着在自动化系统中驱动装置数量的增多，这种认为驱动装置是产生谐波问题的唯一原因的错误认识也在加深，其实任何一个将交流电调整成直流电的设备都会产生谐波，包括大多数工厂底层设备和办公机器（例如：电脑电源、电话充电器和复印机），甚至日光灯的镇流器都会导致谐波失真。因此，在不假思索地为设备中的每一个驱动装置安装滤波器之前，分析所有可能引发问题的电气负载是很重要的。
　　事实上，由于交流驱动装置所导致的谐波相关问题是非常少的，谐波问题主要表现在变压器和驱动器馈线过热，因为设计者没考虑到另外的谐波电流，因此保险丝会过早地熔断，断路器也会因为同样的原因而跳闸。

图1：基本驱动器电流波形显示失真大约110%

图2：导线电抗器减少大约50%的电流失真，却导致直流母线电压衰减。

　　电源线上的谐波电流会引发电压失真，进而使连接在这条电源线上的其它设备产生问题，如：灯光变得昏暗，连接在该电源线上的电动机过热。
　　有一些设备，如直流驱动装置或未经滤波的逆变器，除了会产生谐波外，还会产生导线陷波。这些电压上的陷波可以轻易地引起设备中的其他部分工作异常。这就造成了这样一种假象：那些实际上正常的部分引发了问题，而真正产生问题的部分却似乎工作正常。
　　当设计一个新系统或者是增加功率系统中已有的可调速驱动装置的数量时，设计者需要清楚设备的每一部分对系统究竟贡献多少谐波，而这些谐波之间可能会有哪些影响。
　　符合工业标准
　　IEEE标准519-1992“电力系统中针对谐波控制的IEEE操作规程建议与要求”对减少由谐波导致的设备问题提供了一些指导方案。第10部分有两张关键的表格，涵盖了“个人用户的操作规程建议”，同时这两张表格也适用于大多数的工业应用。
　　第一个表格：“低电压系统的分类和失真极限”。在工厂供电变压器的副边和功率表处，线形和非线性的负载将会一起使用，表一为这些情况下的电压失真极限和导线陷波测量提供了指导性方案。
　　举个例子，如果一个变压器只对交流驱动器提供能源，，电压失真允许最高达到10%而不会影响正常运行。如果线路上既有电动机又有直流驱动器，或者既有线性负载又有非线性负载，那么电压失真应保持在5%以下。在医院和飞机场，考虑到人身安全，最大电压失真应控制在3%以内。
　　为了减少连接到配电系统上的其它负载发生异常的可能，标准也提供了对导线陷波的深度和区域的限制。
　　除了对电压失真的限制，IEEE-519建议对电流失真也进行限制，正如表二“一般配电系统电流失真极限”所示。表中的值不是表示公共电网和终端仪器之间，而是公共电网和用户之间的推荐电流失真值，这也正是IEEE519所定义的公共耦合点的位置。
　　这个标准也被打算作为公共电网和用户的指导性方针，这些限制作为一种公平的方法，允许连接到公共电网上的每一个用户的工厂都能得到相对失真较小的电压。任何一个用户都不允许引起过大的谐波电流，否则他将会使提供给其他用户的电压极大地失真。虽然IEEE519的数据并不意味着它是一个设备标准，然而很多顾问已经将其应用于由非线性负载或可调速驱动器（ASD）引起的电流失真上。这通常就意味着，用户将会花费更多资金在IEEE519规定的滤波上。
　　抑制滤波方法评估
　　如果交流驱动器的线电流谐波需要减少的话，有几种减缓谐波失真的方法是有效用的。这些方法不仅减少了谐波和电压失真，而且也以不同的方式影响了电力和驱动系统的其他方面。以下是驱动系统设计者需要知道的。
　　■基本的交流驱动器—为了比较，可以把一个基本的交流驱动器看作一个三相二极管桥式整流器的基本交流驱动器、一个直流母线电容组滤波器，一个三相IGBT电桥反用换流器。它不包含直流扼流器和和交流电抗器。它的线电流图形如图，带约110%的电流失真“基本的交流驱动器电流”图所示。

图3：对于150马力以下的电动机，有源滤波器使电流失真降低
到大约8%。

图4：具有最好的失真抑制效果的有源前置电路滤波器可以使失
真减小到5%。

　　■线路电抗器—最便捷最经济的减少线路中的谐波方法是在每一个驱动器或在三驱动器组之前增加一个3%的线路电抗器，这将会把线路中的电流失真度减少50%，波形如图“带3%交流线路电抗器的线电流波形”图所示。但线路电抗器也存在一个缺陷，就是在电动机负载增多和速度加快的时候会导致交流驱动器中的直流母线电压有所衰减。
　　一个3%的线路电抗器会导致直流母线电压在全速满负载时衰减3%。这意味着当在全速满负载情况下工作时，电动机无法得到到额定电压，导致转子下垂和电流增大，使得电动机工作时发出更多的热量。如果在满负荷状态下你的速度不会超过全速的97%，或者你有高线电压供电时，便不存在这个问题了。同样，5%的线路电抗器会使直流母线电压下降5%。
　　■直流扼流器—直流扼流器在驱动器中，在逆变器输出端和直流母线电容器组之间，它将把电流失真度减到大约40%，而且在全速满负载时也不会有电压衰减。一些驱动器供应商提供直流扼流器做为他们驱动器的一个选项或是一个标准供货内容，大多数大于5马力的驱动器有一个内置式直流扼流器。
　　■无源谐波滤波器—在减少线路谐波电流方面选择无源谐波滤波器是很受欢迎的，而且在低于150马力时使用是具有成本效益的。无源滤波器在电源逆变过程中成为了谐波电流的蓄存地点，一旦滤波器提供了电流，变压器便不需要工作了，所以温度过高和电压失真的程度也就减少了，这些滤波器会把电流失真降低到8%，如图“带有无源谐波滤波器的基本交流驱动器线电流”所示。
　　当过程要求交流驱动器在额外的时间段工作于低速低负载的情况下时，无源谐波滤波器的最大的缺点就显现出来了。在这种情况下，无源滤波器会引起变压器产生超前功率因素电流，进而引起过热。如果交流驱动器由一个后备的发电机供电工作，那么这也将成为一个问题。
　　为了帮助弥补这样的缺陷，一些滤波器供应商提供了一个接触器，一旦驱动器停止或在低速状态下运行时，这个接触器便会自动切断滤波器中的电容组。在满负荷状态下，尽管滤波器中的功率因数接近于1，在对一个变压器加10个或更多的带有无源滤波器的驱动器之前，最好向供应商确认，这些滤波器之间不会产生电压或电流共振现象。
　　■有源谐波滤波器—有源谐波滤波器对于单一驱动器来说是一个很棒的选择，而且尤其是在几个驱动器处于一个马达控制中心的时候。滤波器提供所有驱动器所需要的谐波电流，可以根据驱动器的要求自行更改操作，一般可以把失真电流下降到5%，有源谐波滤波器在空载情况下不会引起超前功率因素。当驱动器停止，不需要谐波电流了，它会自动得把它的输出变成零。有源谐波滤波器看来不存在技术或系统上的缺陷。
　　■多脉冲变压器—变压器用于相移已经有几十年了，十八脉冲变压器和逆变器的使用很受用户欢迎，因为它们能很轻松的达到把电流失真降低到5%。
　　多相变压器作为自耦变压器和隔离类型很容易被击穿，自耦变压器比隔离变压器便宜而且体积也小得多，因为他们对空间的需要较少。12脉冲变压器最近已经不流行了，因为它只能将电流失真百分比降低降低至9～15%。24脉冲系统和脉冲数目更多的系统也可以购买得到，因为它们对失真的改良程度（达到4.5%）并不值它所需要的额外支出。
　　从正面来说，在空载情况下是不会产生超前功率因素的，而且在驱动器的整个速度和负载区间内直流母线电压都处在正常水平。在150马力以上的应用场合这种选择是很划算的。

数据来自于标准IEEE519，显示各种实际应用中的失真极限，
陷波深度极限，陷波面积极限

数据来自IEE519 的数据，显示在PCC 中基于最大要求
负载电流的各种Isc/IL 源的电流失真极限

　　■谐波抑制变压器—HMT引入特定的相移设在0°，15°，30°和45°，如果多台驱动器可以被分成2或4个组，且每个组的总驱动功率大致一致，那么对这种配置谐波抑制变压器就能发挥用处了。通过使用两组驱动器，一组工作在在0°相移，另一个工作在30°相移，这样它便去除了大部分的5次和7次谐波，如同一个12脉冲系统。在15°和45°相移变压器上这种结论也是成立的。四组驱动器把每一组放到四个相移的每一个相移上，会去除大部分的5次、7次、11次和13次谐波，如同一个18脉冲系统。如果驱动器中的有些已经停止工作，去除的谐波也就少了。在所有驱动器都满载时就是电压失真最严重的状况。
　　■有源前置电路—AFE用户通常将它们作为驱动器的完整部分进行购买而不是作为更新改进，即使对于在公共直流母线上运行的几台驱动器它们可作为独立的模块进行使用。
　　一个AFE由一个三相IGBT桥式整流器组成，和一个带有10%导线电抗器的交流驱动器的反相器部分类似。在电动和再发电运行期间，它就如同一个可以控制直流母线电压的升压变压器。如果IGBT在3kHz的载波频率下进行调制，此时的谐波就等价于50脉冲系统中的谐波。如图“有源前置电路的线电流”所示，AFE可以使电流失真降到5%。然而，需要一个小型陷波滤波器来最小化在调制过程中产生的陷波。如果没有这个陷波滤波器，这些线型陷波就会引起连接到与AFE连接的同一台变压器上的其它设备出现操作问题。
　　驱动系统设计者需要明确每一种谐波抑制方法是怎样影响电力和驱动系统的。不是只有Ithd（输入电流总谐波失真）会受到影响。对于工厂，应该关注电压失真和线型陷波在某个范围之内，以防止其它设备发生问题。对于公共电网的接口，应该关注限制电流失真在推荐值之下，以防止电网和其他用户发生问题。这是IEEE 519的目的，也是系统设计者的目的。
　　翻译：辛磊夫

文章编号：070303
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