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电抗器在变频调速系统的应用
电抗器在变频调速系统的应用
随着电力电子技术的迅速发展,变频器调速已成为电气传动的主流,其应用范围日益广泛.但不同的电气环境,若不采取恰当的保护措施,就会影响变频器运行的可靠性和稳定性.同时变频器的输入和输出电流中,都含有很多谐波成分.它们将以各种方式把自己的能量传播出去,形成对其他设备的干扰信号。
1干扰信号的传播方式及危害:
1.1干扰信号的传播方式:
(1) 空中辐射方式 即以电磁波的方式向外辐射;
(2) 电磁感应方式 既通过线间电感而感应;
(3) 静电感应方式 既通过线间电容而感应;
(4) 线路传导方式 既通过电源网络传播.
1.2干扰信号的危害
(1) 使供电电源电压及电流波形畸变. 由于公用电网中的谐波电压和电流对用电设备和电网本身都会造成很大危害,世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准.制定这些标准的基本原则是限制谐波源注人电网的谐波电流,把电网谐波电压控制在容许范围内,使接在电网中的电气设备免受谐波干扰.由国际电工学会建议标准IEEE519-1992规定的电压畸变限制值如表1所示，电流畸变限制值如表2所示。
表1 由IEEE519规定的电压畸变限制值
公共连接点母线电压 | 单次谐波Vh (%) | 电压THD(%) |
V<69KV | 3.0 | 5.0 |
69≤V<161KV | 1.5 | 2.5 |
V≥161KV | 1.0 | 1.5 |
表2 由IEEE519规定的电流畸变限制值
Isc/IL | Ih//IL （%）一般配电系统(120V-69KV) | TDD (%) | ||||
h<11 | 11≤h<17 | 17≤h<23 | 23≤h<35 | h≥35 | ||
<20 | 4.0 | 2.0 | 1.5 | 0.6 | 0.3 | 5 |
20~50 | 7.0 | 3.5 | 2.5 | 1.0 | 0.5 | 8 |
50~100 | 10 | 4.5 | 4.0 | 1.5 | 0.7 | 12 |
100~1000 | 12 | 5.5 | 5.0 | 2.0 | 1.0 | 15 |
>1000 | 15 | 7.0 | 6.0 | 2.5 | 14 | 20 |
注:上述电流畸变限制值是对于奇次谐波,偶次谐波的限制值是奇次谐波限制值的25%.对所有发出功率的设备,畸变限制值对应于Isc/IL<20的那些值. Isc是公共连接点的最大的短路电流, IL是公共连接点的15~30min最大的基频负荷电流.TDD是总需量畸变率(THD通过IL规格化)。
TDD:以基波为基准的比值，用百分数表示。其值为谐波电流的均方根值除以额定需求基波电流（或最大需求基波电流）的均方根值。（TDD为IEEE519的要求，考虑了轻载的影响，实用性较强。例如PWM调速电机，轻载时电流THD很大，TDD较小；满载时两者相同。）
(2) 使电路损耗增加,功率因数下降.使电网中的元件产生啦附加的谐波损耗,降低了发电,输电及用电设备的效率,大量的3次谐波流过中线时将产生中线电位差使中线过载.
(3) 谐波影响各种电气设备的正常工作.谐波对电机的影响除引起附加损耗外,还会产生机械振动,噪声和过电压,使变压器局部过热.谐波使电容器,电缆等设备过热,绝缘老化,寿命缩短,以至损坏.
(4) 谐波使测量仪表的精度降低,电力设备中的电流,电压都是用来测量正弦交流电或恒定直流电压的,谐波的介入,必然使得电表指示产生偏差,影响仪表精度.
2 电抗器的作用
在变频调速系统中为防止因操作交流进线开关产生的过电压和浪涌电流对变频器的冲击，同时亦可以减少它产生的谐波对电网的污染，使之符合相关相关法规与标准。因此熟悉与变频器配套用的各类电抗器的作用和容量的选择等问题是有必要的。与变频器相配用的有交流输入电抗器、直流电抗器、交流输出电抗器、零序电抗器、正弦波滤波器。它们在变频调速系统中的所处的位置见图。
2.1 交流输入电抗器
交流的电抗器在变频调速中，用于改善输入电流波形、提高整流器和电解滤波电容的寿命、减少不良输入电流波形对外界电网的干扰、减少功率切换和三相不平衡的影响，在要求高的场合，该电抗器可由较复杂的电力质量滤波单元替代。
电压型通用变频器滤波电容器的使用使输入电流呈尖峰脉冲状。当电网阻抗小时，这种尖峰脉冲电流极大，造成很大的谐波干扰，并极易使变频器整流桥和电容器损坏。当变压器容量大于变频器容量10倍以上，电网配电变压器和输电线的内阻不能阻止尖峰脉冲电流时，或当同一电源上有晶闸管设备或开关方式控制功率因数补偿装置时，或三相电源不平衡度大于3%时，或欲提高输入侧功率因数作提高和抑制奇次谐波干扰，都需使用交流输入电抗器。
一般而言，电压型变频器交流输入电抗器的电感量，采用3%的压降即可防止突变电压造成接触器跳闸，使总电流畸变下降到原先的44%左右。实际使用为降低成本，通常采用的2%压降的电感量。对谐波抑制要求比较高的场合应使用4%压降或更大压降的电抗器。一般常选用2~4%的压降电抗器，这个百分数是相对相电压而言，即：
Uk=△U/Up*100%
其中：△U—相电压降落；
Up—相电压。
三相时，输入侧交流电抗器电感值：
L=（2～4）/100* (Up*10-3/2*3.14*f*I)
对于客户，需考虑电感值和电流值两方面，电流值要稍大于额定电流值，防止过负荷运行；电感值略有大小问题不大，偏大有利于减少谐波。客户还需要考虑电源内部阻抗，电源变压器功率大于10倍变频器功率，而且线路很短的场合，电源内阻小，不仅需要使用输入侧交流电抗器，而且要选择较大的电感值，例如选用4～5%的阻抗的电感量。最好交直流电抗器同时使用。
我司交直流电抗器对谐波抑制数据表
谐波次数 | THD | 基波 | 3 | 5 | 7 | 11 | 13 | 15 | 17 |
无电抗器 | 42.9 | 90.3 | 5.3 | 39.3 | 17.1 | 5.5 | 4.0 | 0.4 | 2.0 |
进线电抗器 | 28.6 | 95.3 | 3.4 | 28.1 | 6.7 | 4.3 | 2.9 | 0.1 | / |
直流电抗器 | 30.7 | 95.1 | 4.3 | 28.8 | 8.5 | 6.2 | 3.4 | 0.3 | 2.6 |
交，直都有电抗器 | 25.4 | 96.6 | 1.9 | 24.4 | 6.0 | 4.6 | 2.7 | 0.1 | 1.5 |
1. 测试变频器为45KW；
2. 测试电流为90~110A；
3. 测试仪器为FLUK –43B电能质量分析仪；
4. 进线电抗器电感为0.2mH.（即2%压降电抗器）；
5. 直流电抗器电感为1.2mH；
6. 负载为纯电阻性负载；
7. 按照n次谐波电流（A）=基波电流（A）X (n次高次谐波电流发生量%)/100计算各次的谐波电流。
2.2交流输出电抗器
交流输出电抗器，变频器输出是脉冲宽度调制的电压波（SPWN）它是前后沿很陡的一联串脉冲方波，存在丰富的谐波。这些谐波有害于电动机和负载的寿命（典型的是电机绕组匝间电压dv/dt过高，造成匝间击穿），以及对周围电器干扰。当负载端电容分量大时，造成变频器的开关器件流过大的冲击电流，会损坏开关器件。使用交流输出电抗器可进行平滑滤波，减少瞬变电压dv/dt的影响，降低了电机的噪音，降低了输出高次谐波造成的漏电流，减少干扰，保护了变频器内部的功率开关器件，延长了电机的绝缘寿命。
变频器的输出是经SPWM调制的电压波，由于电动机绕组的电感性质能使电流连续，因此电流基本上是正弦波形的，脉冲宽度调制波有着陡峭的电压上升沿和下降沿（dv/dt）很大，使得输出引线向外界发射含量极大的电磁波，并且在引出线对地、电机绕组匝间对地间都会产生很大的脉冲电流。
值得指出的是脉冲电压通过长的输电线时，由于长线上的反射叠加使得在长线（变频器输出导线）超出临界长度后，电压有可能达到直流母线（变频器内直流母线）的电压的2倍。因此变频器输出线长度受到限制，为了解除这种限制，必须接入输出交流电抗器。接入后，送到电机等负载上的波形就接近正弦电压波形了。
表 变频器与电机间的接线距离与载波频率的关系
变频器、电机间的接线距离 | 50m以下 | 100m以下 | 100m以上 |
载波频率 | 15KHz以下 | 10KHz以下 | 5KHz以下 |
输出电抗器实际应用中，只要负载是电感性的，电抗器可采用1%阻抗或更低一些都是可以的，这是因为，SPWN调制频率远高与基波频率，已经相当于40-100次谐波的范围。
2.3直流电抗器
直流电抗器，用于改善电容滤波（当前电压型变频调速器主要滤波方式是电容滤波）造成的输入电流波形畸变和改善功率因数、减少和防止因冲击电流造成整流桥损坏和电容过热。当电源变压器和输电线综合内阻小时（变压器容量大于电机容量10倍以上时）、电网瞬变频繁时都需要使用直流电抗器。变频器直流母线接直流电抗器可以减小输入电流。
表 变频器直流母线挂直流电抗器可以减小输入电流
变频器功率/KW | 0.4 | 0.75 | 1.5 | 2.2 | 3.7 | 5.5 | 7.5 | 11 | 15 | 18.5 | 22 | 30 |
有DCL | 0.82 | 1.5 | 2.9 | 4.2 | 7.1 | 10 | 13.5 | 19.8 | 26.8 | 33.2 | 39.3 | 54 |
无DCL | 1.8 | 3.5 | 6.2 | 9.2 | 14.8 | 21.5 | 27.9 | 39.1 | 50.3 | 59.9 | 69.3 | 86 |
直流电抗器接在滤波电容前，它抑制进入电容的整流后冲击电流的幅值，有利于改善功率数。直流电抗器在变频器功率大于22KW时一般都要采用，当变频器功率越大，越应该使用。直流电抗器的电感量的电感值的选择一般为同样变频器输入侧交流电抗3%阻抗的2～3倍。
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