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工矿设备变频调速技术的应用与改进

发布日期:2013-04-21  来源:中国防爆设备网  浏览次数:1883【字号:
王任大天津九安电器公司  王荣祥太原科技大学
 
近几年来,变频调速技术发展很快,工矿设备采用变频器驱动的电动机调速系统越来越广泛。采用变频调速系统,节能效果明显,调节容易,维护简单易行,而且给整机的传动系统布置带来很多方便。但是,由于变频器中普遍使用了晶闸管等非线性整流器件和IGBT等开关器件,在输出能量的同时,会产生谐波和电磁辐射,引起电网电压畸变,影响周边电器的正常工作。所以,探讨如何改善这种状况,已成为继续发展和推广变频调速技术的关键问题
变频器产生谐波及电磁干扰的机理
通常情况下,在电源侧装有整流回路的电气设备(如通用变频器、晶闸管供电的直流电动机、无换向器电动机等),都将产生因电气非线性运行引起的高次谐波。对于常见的PWM控制的变频器(见1),输出电压和电流均有高次谐波。如利用比较器将电压指令与载频的三角波比较,即产生PWM脉冲信号。变频器输出的电压波形(矩形波)和电流波形(正弦锯齿波)分别如图2和图3所示。其特点是谐波与基波叠加在一起,谐波频率的高低与变频器的调制频率有关,用傅里叶级数可以分析出各次高次谐波的含量。
变频器产生的谐波会对同一电网的其他电子电气设备产生“谐波干扰”,使电压和电流产生波形畸变,从而使设备受到危害。由于谐波使电网中的电器元件产生了附加的谐波损耗,并波及干扰到电源,通过配电网络传导给系统中的其他设备,影响其正常运行,降低输变电及用电设备的效率。
谐波干扰值的允许标准
为了限制变频装置对电力系统的谐波干扰,有利于电力电子装置的推广应用,世界各国都制订了有关行业的国家标准,以保证电网的供电质量。其中最具权威性的是美国电气和电子工程师协会(IEEE)制订的IEEE-519。该标准详细分析了波形畸变的原因及其影响;确定了判别畸变程度的参量;制定了对电力系统中波形畸变的限制;介绍了波形畸变的分析方法和控制措施等。
IEEE中用来判别波形畸变的最主要指标是畸变系数(或称谐波系数)DF,其表达式为:
 (n>1)
式中H1 ——基波的幅值;
 Hn——n次谐波的幅值。
表达式的分子部分为所有谐波的方均根(RMS)值。当电压值在115 V以上时,IEEE所规定的综合电压畸变率为1.5%以下。
我国在GB12668-90中规定,电压稳态相对谐波含量的方均根值不超过10%,其中任何奇次谐波均不超过5%,任何偶次谐波均不超过2%,短时(持续时间t<30 s)出现的任一次谐波含量不超过10%。我国对电网电能质量和谐波参数的具体规定见表1和表2。
治理谐波的技术措施
工程中很多实例证明,变频器输入侧的谐波注入电网后,对电网容性负载将产生很高的电流,从而导致功率因数补偿的电容器、发电机组发热和损坏;使电网保护系统产生误动作 (如漏电保护和差动保护误动作等),致使系统解列;使与频率有关的用电设备的仪表产生误差。变频器输出侧谐波会使电动机产生发热和脉动现象,震动和噪声增强,并且不同程度地干扰其他设备正常运行。为了改善变频器电气系统的技术状态,可采用如下几项措施。
(1)电源协调采用交流电抗器(AC电抗器)。为了抑制变频器输入侧的谐波电流,缓解电源电网上的干扰,改善功率因数,可在变频器输入端加装交流电抗器;其特点是要求电抗器自身分布电容小,自身谐振点要避开抑制频率范围,可使干扰电压减小,但又要保证工频电压降在2%以下,且功耗较小。是否确定选用,还要考虑电源变压器与变频器容量的匹配情况及电网允许的畸变程度。在一般情况下,采用交流电抗器后,进线电压畸变率(THDv)大约可降低30%~40%。
 
(2)采用电源滤波器。当电气系统的抗干扰能力要求较高时,为减少对电源的干扰,在电源输入端可加装电源滤波器。滤波器可抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源及电动机等设备。采用电源滤波器后,满载时进线中的THDv可降至5%~10%,满足IEEE-519的要求,适用所有负载下THDv<30%的技术状况。
(3)采用屏蔽装置隔离干扰源。选择专用装置屏蔽干扰源是抑制变频器谐波及电磁辐射对设备干扰的有效方法。在通常情况下,变频器本身可用铁壳屏蔽,输出线最好用钢管屏蔽,特别是以外部信号控制变频器时,要求信号线尽可能短一些(一般为20m以内),最好采用双芯屏蔽,且与主电路及控制回路完全分离,不可置于同一配管或线槽内。为使系统屏蔽措施有效,屏蔽罩必须有可靠的接地装置。
 
(4)采用A/D转换器和差动放大器增强信号线的抗干扰能力。设备系统的信号线承担着检测信号和控制信号的传输任务。信号传输的质量优劣,直接影响到设备控制系统的准确性、稳定性和可靠性。因此,采用技术措施提高信号线的抗干扰能力是十分必要的。信号线所受干扰主要来自于空间的电磁辐射,通常有常态干扰和共模干扰两种。抑制常态干扰的方法,是在输入回路接入RC(或双T)滤波器,尽量采用双积分式A/D转换器,它有较强的消除高频干扰的功能,对抑制常态干扰比较有效。抑制共模干扰的方法是采用双差分输入的差动放大器。这种放大器具有很高的共模抑制比,它可改变导线的电磁感应方向,使其感应相互抵消,从而降低共模干扰。
实践经验已总结出多项改善变频器使用技术的措施,可以单独采用,也可以组合使用,对于中小型匹配功率(20~50 kW)的设备,变频器主接线配套装置方案可如表3所示。当然,根据具体设备使用情况,也可进行合理调整。
 
 
 
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