高壓變頻器的諧波分析

　　高壓變頻器的整流和逆變線路都使用了電力電子器件的開關(guān)特性，在其輸入和輸出端都會(huì)產(chǎn)生波形畸變，對(duì)供電線路和負(fù)載電機(jī)造成有害的影響。因此高壓變頻器的諧波含量是決定其性能和應(yīng)用效果的重要參數(shù)之一。在這一講中，我們將對(duì)這種諧波影響的機(jī)理和消除方法作一介紹。

　　1諧波對(duì)供電電源的影響

　　對(duì)供電電源而言，高壓變頻器的開關(guān)特性形成一個(gè)非線性負(fù)載。這種非線性負(fù)載改變了交流電力線路中電流的正弦波特性，從而在交流電力系統(tǒng)中產(chǎn)生有害的高次諧波。這種諧波影響的機(jī)理如圖1所示。

　　圖中，pcc為配電線路的公共供電點(diǎn)，變頻器為連接于該點(diǎn)的諧波源，其諧波電流經(jīng)過電源內(nèi)阻的耦合作用，造成pcc點(diǎn)交流電壓的波動(dòng)。此諧波電壓將使連接pcc點(diǎn)上的通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)及其他用電設(shè)備受到干擾，嚴(yán)重時(shí)不能正常工作。又由于電源內(nèi)阻zs的電阻極小，可忽略不計(jì)，基本上是一個(gè)電抗。當(dāng)電網(wǎng)上接有功率因數(shù)補(bǔ)償器等電容負(fù)載時(shí)，電源電抗有可能和負(fù)載電容形成諧振，這個(gè)諧振頻率接近于諧波源的某個(gè)諧波頻率時(shí)，會(huì)在pcc點(diǎn)上產(chǎn)生很高的諧波電壓。為此，必須使變頻器的諧波電流減小到一定程度，才不會(huì)對(duì)電路中的其他設(shè)備造成有害的影響。

　　2ieee-519簡(jiǎn)介

　　為了限制變流裝置對(duì)電力系統(tǒng)的諧波干擾，有利于電力電子裝置的推廣應(yīng)用，世界各國都相繼制定了有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，以保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量。其中最具權(quán)威性的是美國電氣和電子工程協(xié)會(huì)(ieee)制定并作為美國國家標(biāo)準(zhǔn)(ansi)的ieee-519。

　　ieee-519在1981年首次頒布，稱為“ieeestd.519-1981關(guān)于靜態(tài)功率變換器的諧波控制和無功補(bǔ)償?shù)闹改稀薄?992年經(jīng)修訂后又重新發(fā)布了“ieeestd.519-1992”,稱為“ieee對(duì)電功率系統(tǒng)中諧波控制的要求和推薦標(biāo)準(zhǔn)”。該標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)分析了波形畸變的原因及其影響;確定了判別畸變程度的參量;制定了對(duì)電力系統(tǒng)中波形畸變的限制;介紹了波形畸變的分析方法和控制措施等，對(duì)從事大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用的工程技術(shù)人員具有指導(dǎo)性的作用。
ieee中用來判別波形畸變的最主要指標(biāo)是畸波系數(shù)(或諧波系數(shù))df:

　　式中hi為基波的幅值，hn為n次諧波的幅值。分子表示所有諧波的均方根(rms)值。
　　另外，標(biāo)準(zhǔn)中常使用的兩個(gè)指標(biāo)有:
　　thd:總諧波畸變(totalharmonicdistor-tion)，是以正常基波電壓的百分比表示的諧波電壓總畸變值。
　　實(shí)際上，對(duì)同一個(gè)波形而言:
　　thd=df
　　tdd:總指令值畸變(totaldemanddistor-tion)，是以最大指令負(fù)載電流(15或30分鐘指令)的百分比表示的諧波電流畸變。
　　列出ieee對(duì)公共供電點(diǎn)(pcc)處電壓畸變的限制要求:

　　可用于正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下(連續(xù)運(yùn)行1小時(shí)以上)“最壞情況”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。短期起動(dòng)或非正常條件下，限制值可超過50。

　　另一方面，從前面的分析我們已經(jīng)知道，一個(gè)非線性負(fù)載造成的畸變電壓，還與該負(fù)載的電流在電源阻抗上產(chǎn)生的壓降大小有關(guān)，即與負(fù)載容量的大小有關(guān)。為此引入?yún)��?shù)isc/il，表示在pcc點(diǎn)上電源短路電流與最大基波負(fù)載電流之比。其中，il為最大基波指令負(fù)載電流，從以前12個(gè)月期間最大指令的平均電流計(jì)算得到。ieee允許負(fù)載容量較小的用戶引入供電點(diǎn)的諧波電流可以大一些，這有利于合理分配用電和合理設(shè)計(jì)變流裝置。表2給出了不同isc/il值下對(duì)變流設(shè)備諧波的限制。

　　3我國關(guān)于波形畸變限制的規(guī)定

　　我國國家標(biāo)準(zhǔn)gb12668-90“交流電動(dòng)機(jī)半導(dǎo)體變頻調(diào)速裝置總技術(shù)條件”中對(duì)交流輸入電源規(guī)定:電壓的穩(wěn)態(tài)相對(duì)諧波含量的均方根值不超過10。其中任何奇次諧波均不超過5，任何偶次諧波均不超過2，短時(shí)(持續(xù)時(shí)間小于30秒)出現(xiàn)的任意一次諧波含量不超過10。

　　4諧波分析