西班牙PE电气SD700变频器产品对谐波的抑制

一.SD700 三相660VAC系列变频器柜机内部拓扑简图
   
6脉冲

12脉冲
   二.加装EMC滤波器及谐波电抗器后对谐波抑制水平的阐述
   　　变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信等技术于一体的高科技技术。它以很好的调速、节能性能，在各行各业中获得了广泛的应用。由于其采用软起动，可以减少设备和电机的机械冲击，延长设备和电机的使用寿命。随着科学技术的高速发展，变频器以其具有节电、节能、可靠、高效的特性应用到了工业控制的各个领域中，如变频调速在供水、风机空调设备、过程控制、电梯、机床等方面的应用，保证了调节精度，减轻了工人的劳动强度，提高了经济效益。
   　　但是，由于变频器的开关特性构成了一个非线性负载，所带来的谐波干扰越来越不容忽视，尤其是在大功率的变频调速系统中。变频器干扰主要有：一是变频器中普遍采用了晶闸管或者整流二极管等非线性整流器件，其产生的谐波对电网将产生传导干扰，引起电网电流畸变（总电流畸变率用THDI表示），影响电网的供电质量;二是变频器的输出部分一般采用的是IGBT等高频开关器件，当晶体管换向的时候，在输出能量的同时，将在输出电缆上产生较强的高频电磁辐射干扰，会影响到周边电气设备的正常工作。
   　　什么是谐波?
   　　谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶（M.Fourier）分析原理证明，任何重复的波形（包括方波，三角波等等）都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波可以I区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、1 4，6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为lOOHz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中， 由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7，11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波。谐波定义示意图如图1所示。
   
   　　谐波和电磁干扰对电网及其它系统和设备的危害有哪些?
   　　1.谐波使电网的电压与电流波形发生畸变，引起电网中局部的谐振，从而使谐波放大，增加线路损耗，降低电网电压。
   　　2.谐波使电网中的电气设备（包括电动机）产生了附加的谐波损耗，降低了电气设备的功率因数，噪声增大，发热造成绝缘老化，影响其使用效率和寿命。
   　　3.谐波使电网中电力变压器的损耗增加，直接影响变压器的使用容量和使用效率;还会造成变压器噪声增加，使其局部过热，绝缘老化，寿命缩短，以至于损坏。
   　　4.谐波可以通过电网传导到其它的用电设备，影响了许多电气设备的正常运行，特别是单相电气设备，所产生影响的瞬间电压畸变会干扰设备内部软件或硬件的正常运转，比如继电器保护装置产生误动作。
   　　5.电磁辐射干扰会使经过变频器输出电缆附近的控制信号（计算机或PLC）、检测信号（仪表或传感器），以及通信等弱电信号受到干扰，严重时使仪表计量不准确，系统无法得到正确的检测和控制信号，或使控制系统信号紊乱。
   　　一般来讲，变频器对电网容量大的系统影响不十分明显，这也就是谐波不被大多数用户重视的原因。但对大功率的变频器或电网容量相对小一些的系统，谐波产生的干扰就不能忽视。应采取较为全面和有效的措施来确保系统的稳定运行。
   　　针对大功率变频器，应采取哪些抑制谐波和电磁干扰的措施?
   　　从上面的SD700 660V大功率变频器的内部拓扑结构图中可以看出，PE公司的SD700系列的大功率变频器采用了内置了交流谐波电抗器，EMC输入滤波器和dv/dt输出滤波器，其中：
   　　1. 内置的交流电抗器，置于整流桥的前端，实现以下两个功能:一方面保护整流桥，不受电网电压瞬间波动的影响，抑制输入中的浪涌电流对变频器的冲击，有些是采用置于直流母线上的直流电抗器，但此方案使整流桥得不到相应的保护.另一方面,交流电抗器能够过滤掉电网谐波和增加阻抗，使电流正弦波平滑，并且提高功率因数和效率，所以PE公司大功率的变频器采用了内置交流电抗器，可以提高变频器和整个电网系统的可靠和高效运行.
   　　2. 内置的EMC滤波器，PE公司的SD700系列大功率变频器都内置了EMC输入滤波器，符合IEC61800-3标准中工业应用（第二类环境）和住宅楼宇民用（第一类环境）的相关要求，从而大大提高了整个系统抵抗电磁传导性干扰的能力。
   　　3. 内置的dv / dt输出滤波器，SD700系列变频器输出侧的dv / dt滤波器可以有效减小高频电磁辐射和噪声传导等干扰信号，减小了大功率变频器的输出电缆对周边控制信号和检测信号的电磁干扰，变频器到电机的电缆长度最长允许达到300米，并可以确保整个控制系统的安全稳定。变频器的逆变桥A相输出波形如下图所示：
   
   　　若把变频器输出波形放大, 可以看到波形的角度并非 90º 直角，
   
   　　但是在变频器输出端会产生尖锐的过脉冲电压， 此电压远远高过电机输出
   　　为解决此问题, Power Electronics研究出 IGBTs的门极电阻, 保证尖峰脉冲不超过限值.
   
　　Rg 门极电阻 ，控制负载的 “电容量” 使之与 IGBT一致.
   
   　　输出不带dv/dt输出滤波器时的实际测量波形 输出带dv/dt输出滤波器时的实际测量波形
   　　Power Electronics的变频器, 集成了dV/dt 输出滤波器. 此滤波器由线圈组成, 串联在输出端，它执行着过滤尖峰脉冲的作用.