变频器及其谐波治理与无功补偿

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1、变频器及其谐波治理和无功补偿2004-9-9王守军这篇文章被阅读了<6>次摘要：本文通过变频器的原理分析，阐述了变频器产生谐波的机理及其治理措施和无功补偿。1变频器的工作原理变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。常用三相交流异步电动机的结构为图1所示。定子由铁心及绕组构成，转子绕组做成笼型(见图2)，俗称鼠笼型电动机。当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋传磁场相互作用，产生电磁转矩

2、，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用N表示N=60f／P(r／min)(1)式中：f—三相交流电源频率，一般为50Hz；P—磁极对数。转子的实际转速n比磁场的同步转速N要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s表：s=[(n1-n)／n1]×100％(2)当加上电源转子尚未转动瞬间，n=O，这时s=1；起动后的极端情况n=N，则s=0，即s在0-1之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=(1~)％。综合式(1)和式(2)可以得出异步电动机的转速为：n=60f(1-s)／p(3)由式(3)可以看出

3、，对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率S变化不太，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定于的供电电机也要作相应调节。变频器就是在调整频率(VariableFrequency)的同时还要调整电压(VariableVoltage)，故简称VVVF(装置)。通过电工理论分析可知，转矩与磁通量(最大值)成正比，在转子参数值一定时，转矩与电源电压的平方成正比。变频器的工作原

4、理量把市电(380V、50Hz)通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件(GTO、GTR或IGBT)组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制(SPWM)方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。上述的两次变换可简化为AC—DC—AC(交一直一交)变频方式。利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高、调速范围宽、精度高且能无级变速的优点，这对于水泵，风机等设备是很适用的。2变频

5、器的分类2．1按变换的环节分类可分为交一交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器：交一直一交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。2．2按直流电源性质分类(1)电流型变频器电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流型变频器。电流型变频器的特点是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。

6、(2)电压型变频器电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。3变频器谐波产生机理变频器的主电路一般为交一直一交组成，外部输入380V／50Hz的工频电源经三相桥式不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回

7、路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2—3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15KHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。4变频器供电系统的谐波治理与无功功率补偿方法根据变频器分类，变频器供电系统的就地谐波治理与无功功率补偿装置分为：含各次滤波器的动态无功功率补偿装置、6％电抗的动态无功功率补偿装置、固定投入各次滤波器的

8、装置。有源滤波器补偿装置，因技术和价格的原因，日前还难在国内推广。4．1交一交变频器电网通过可控硅三相可逆整流桥给变频器供电，功率因数很低。供电电流不仅包含6K±1次谐波(K=l、2、3、…)，还在谐波附近出现间隔为变频器输出频率间谐波。用五次、七次、十一次和十三次滤波器可以滤除谐波，但是滤波器对一些间谐波呈容性，必然产生间谐波放大现象。就地实现谐波、间谐波治理和无功功率