交流驱动器中的谐波缓解

一目了然

谐波导致过热

谐波会损害其他设备

使修复适合问题

可调速驱动器固有地产生谐波电流，因为它们采用三相交流正弦功率并将其转换为直流功率作为交流感应电机控制的一部分。对于交流驱动器相关的谐波和缓解，请记住:

1)无论功率转换器是由二极管、硅控制整流器(SCRs)还是带有自由旋转二极管的绝缘栅双极晶体管(igbt)组成，它们都会产生谐波，因为它们打开和关闭，从而产生非正弦电流波形。

2)谐波电流在给电源转换器供电的电力线上产生电压畸变。

3)电压失真也可以由某些类型的电源转换器引起的线陷波产生。

与直流电机驱动相比，交流电机驱动由于其谐波引起的问题很少。设计不良的应用程序可能导致配电设备和连接到同一配电系统的其他设备出现问题。

识别的罪魁祸首

随着自动化系统中驱动器数量的增加，认为驱动器是谐波问题的唯一原因的误解也在增加。每一个将交流电转换为直流电的设备都会产生谐波失真，包括大多数工厂设备和办公机器(如电脑电源、电话充电器和复印机)。即使是荧光灯的镇流器也会产生谐波失真。这就是为什么分析所有可能对系统造成潜在问题的电气负载非常重要，然后匆忙将过滤器安装到设施的每个驱动器中。

在现实中，很少有由交流驱动器引起的谐波相关问题。谐波问题通常表现为变压器过热和驱动线路供电，因为设计者没有考虑到额外的谐波电流。保险丝会过早熔断，断路器也会因为同样的原因跳闸。

谐波电流会在电力线上产生电压畸变，这可能会给连接到同一条电力线上的其他设备带来问题:灯光变暗，线路上运行的电机过热。

一些设备，如直流驱动器或未滤波的再生转换器，除了谐波电流外，还会产生线陷波。这些电压缺口很容易导致设施中其他设备的不稳定行为。这种影响反常地表现为完全良好的设备的不良行为，而有问题的单元似乎正常工作。

当设计一个新系统时，或者当扩展电力系统中已经存在的可调速驱动器的数量时，设计师需要记住每个设备对系统的贡献以及这些谐波如何相互作用。

符合行业标准

IEEE标准519-1992，“IEEE电力系统谐波控制的推荐实践和要求”提供了一些指导方针，以减少由于谐波引起的设备问题的可能性。第10节介绍了“个人消费者的推荐实践”，其中有两个关键表也适用于大多数工业应用程序。

第一个表，“低压系统分类和失真限制”，提供了在工厂内线性和非线性负载捆绑在一起的任何位置，变压器二次和为工厂供电的功率表可测量的电压失真限制和线缺口的指导方针。

例如，如果变压器只向交流驱动器供电，电压失真可以高达10%而不影响其运行。但是，如果有跨线电机和交流驱动器的混合，或者线性和非线性负载，那么电压失真应保持在5%以下。在医院和机场，人们的生命受到威胁，因此最大电压失真限制在3%。

该标准还规定了线路缺口的深度和面积限制，以减少连接到配电系统的其他负载不稳定行为的可能性。

除电压畸变限值外，IEEE-519还推荐电流畸变限值，详见第二表“一般配电系统的电流畸变限值”。这些是建议在公用事业和客户之间的接口测量的电流失真限制，而不是在设备终端。这就是IEEE 519定义该表的公共耦合点(PCC)的地方。

同样，该标准旨在为公用事业公司及其客户提供指导。提供限制是作为一种公平的方法，允许每个可能由公用事业供电的客户为其工厂获得相对无失真的电压。任何客户都不应该被允许抽取如此多的谐波电流，以至于严重扭曲了提供给其他客户的电压。尽管IEEE 519中显示的数据并不意味着作为设备标准，但许多顾问已经将其应用于每个非线性负载或ASD所绘制的电流失真。这通常意味着客户可能会为根据IEEE 519推荐的更多过滤支付更多费用。

评估的补救措施

如果需要减少交流驱动器产生的线路电流谐波，有几种方法可以缓解谐波失真。这些方法减少了谐波和电压畸变，但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师需要知道的:

基本驱动电流分布显示出约110%的畸变。

•基本交流驱动—为了比较，考虑一个基本交流驱动作为三相二极管桥式变换器，直流母线电容器组滤波器和三相IGBT桥式逆变器。它不包含直流链路扼流圈或交流线路电抗器。它的线路电流看起来像“基本交流驱动电流”图形，电流失真约为110%。

•线路电抗器-减少线路电流谐波的最简单和最便宜的方法是在每个驱动器之前添加3%的线路电抗器，或在一组三个驱动器之前。这将减少电流失真到50%左右，并创建一个波形，如“3%交流线路电抗器的线路电流”图形所示。线路电抗器的一个缺点是，它们也会导致交流驱动器内的直流母线电压随着电机速度和负载的增加而下降。

线路电抗器将电流畸变降低到50%左右，但会导致直流母线电压凹陷。

一个3%的线路电抗器将导致直流母线电压在全速，满载时下降约3%。这意味着，在全速和满负荷运行时，电机将不会收到额定电压，导致转子滑移和电流消耗增加。，导致电机运行温度升高。如果你不需要在满载时超过97%的速度，或者如果你有高的线路电压开始，那么这将不是一个问题。同样，5%的线路电抗器将导致直流母线电压下降5%左右。

•直流链路扼流圈-直流链路扼流圈位于驱动器内，在转换器和直流母线电容器组的输出之间。它将把畸变电流降低到40%左右，但在全速、满负荷时直流母线上没有电压凹陷。一些驱动器供应商提供直流链路扼流圈作为一个选项，为他们的驱动器或作为一个标准功能。大多数大于5马力的驱动器都有一个内置的直流链路扼流圈。

无源谐波滤波器-无源谐波滤波器是降低线路电流谐波的流行选择，其成本效益低于约150马力。无源滤波器成为电力转换过程中产生的谐波电流的储存器。由于滤波器提供电流，变压器不需要，因此减少了过热和电压畸变。这些滤波器将失真电流降低到约8%，如“带无源谐波滤波器的基本交流驱动器的线路电流”图形所示。

无源滤波器减少电流失真约8%的电机低于150马力。

无源谐波滤波器的最大缺点出现在需要交流驱动器在低速或低负载下长时间运行的过程中。在这种情况下，无源滤波器可以从变压器吸取领先的功率因数电流，导致过热。这也可能是一个问题，如果交流驱动操作从备用发电机。

为了帮助补偿这些影响，一些滤波器供应商提供一个接触器，以便在驱动器停止或低速运行时断开滤波器内的电容器组。然而，在驱动器上满载时，进入滤波器的功率因数接近于统一。在将10个或更多带无源滤波器的驱动器添加到变压器之前，请与滤波器供应商核实，以确保滤波器之间不会出现任何电压或电流谐振问题

•有源谐波滤波器-有源谐波滤波器是一个伟大的选择，为一个单一的驱动器，但特别是当几个驱动器驻留在电机控制中心。滤波器提供所有驱动器所需的谐波电流，并根据驱动器要求主动修改其操作，通常将失真电流降低到5%。有源谐波滤波器在空载条件下不会引起超前功率因数。当驱动器停止时，不需要谐波电流，它会自动将其输出降至零。有源谐波滤波器没有技术或系统缺陷。

主动前端滤波器实现最高失真降低到约5%。

•多脉冲变压器-变压器已用于相移几十年。十八脉冲变压器和变换器已经变得流行，因为它们可以很容易地实现5%的失真电流。

多相变压器可以绕成自耦变压器或隔离型。自耦变压器比隔离变压器更便宜，体积更小，因为它们需要的更少;12脉冲变压器最近越来越不受欢迎，因为它们只能实现9-15%的电流失真。24脉冲和更高的系统也可用，但典型的失真改善(到4.5%)很少支付他们的额外成本。

在积极方面，在空载时没有领先的功率因数，并且直流母线电压在整个驱动器的速度和负载范围内保持在合理的水平。这个选项通常在150马力以上非常划算。

•谐波缓解变压器- hmt具有0,15,30和45度的特定相移，对于可以将多个驱动器放入两组或四组的配置非常有用，其中每组内的总驱动功率大致相同。通过使用两组驱动器，一组在0度相移上，另一组在30度相移上，可以抵消大部分的第5和第7次谐波，模拟12脉冲系统。15度和45度移相变压器也是如此。有了四组驱动器，在四个相移的每一个上放置一组驱动器将抵消大部分的第5、第7、第11和第13次谐波，模拟一个18脉冲系统。如果一些驱动器被停止，将会有更少的取消。电压失真的最坏情况是当所有驱动器都处于满负荷状态时。

•主动前端afe用户通常将其作为驱动器的组成部分购买，而不是作为改装，尽管它们可以用作公共直流总线上多个驱动器的单独模块。

一个AFE由一个三相IGBT桥式转换器组成，类似于交流驱动器的逆变器部分，以及约10%的线路电抗器。它们的行为就像一个升压转换器，可以控制直流母线电压在电机和再生操作。如果igbt以3kHz的载波频率调制，其谐波将相当于50脉冲系统的谐波。afe可以实现5%的电流失真，如“前端有源的线路电流”图形所示。然而，需要一个小陷波滤波器来最小化调制过程中产生的线陷波。如果没有这个陷波滤波器，线陷波可能会导致与AFE连接到同一变压器的其他设备出现操作问题。

驱动系统设计工程师需要了解每种谐波缓解方法如何影响动力和驱动系统。受影响的不仅仅是输入电流总谐波失真。在工厂内，重点应放在保持电压失真和线路缺口在限制范围内，以防止其他设备出现问题。在实用程序界面上，重点应放在将当前失真保持在建议的限制范围内，以防止实用程序和其他客户出现问题。这是IEEE 519的目标，也是系统设计者的目标。

低压系统分类及失真限制

应用程序
(THD (%)
切口深度
切口区域

来自IEEE 519的数据，显示各种应用的电压失真限制，陷波深度限制和陷波面积限制

特殊应用-医院和机场
3%
10%
16400年

一般系统
5%
20%
22800年

专用系统-专用转换器负载
10%
50％
36500年

在额定电压和电流下V-us的缺口面积

一般配电系统(120V至69000v)的电流畸变限值最大谐波电流畸变占总电流的百分比

Isc / IL
和11
11 & = h&17
17 & = h&23
23 & = h&35
35 & = h
TDD (%)

偶数次谐波限制在以上奇次谐波限制的25%。Isc = PCCIL的最大短路电流= PCC的最大需求负载电流(基频分量)。来自IEEE 519的数据显示了PCC的各种Isc/IL源的电流失真限制，基于最大需求负载电流

20
4.0
2.0
1.5
0.6
0.3
5.0

20镑的话
7.0
3.5
2.5
1.0
0.5
8.0

50 &100
10.0
4.5
4.0
1.5
0.7
12.0

100年&1000
12.0
5.5
5.0
2.0
1.0
15.0

> 1000
15.0
7.0
6.0
2.5
1.4
20.0

作者信息

Rick Hoadley是罗克韦尔自动化公司的技术项目经理，

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