电流谐波抑制

1、 变频器的电流谐波对策变频器的电流谐波对策SSD Marketing2005/11/15SSD Marketing2内容内容n 电流谐波的产生n 谐波的影响n 谐波标准n 谐波抑制的方法n IEEE-519标准及其对策n 谐波抑制方法比较n 总结SSD Marketing3变频器的输入电流波形变频器的输入电流波形n 通用低压变频器实际上是一种交-直-交型电源变换器，其前半部分是整流器，先将三相或单相交流电源通过不可控（全二极管）或半可控（三个二极管和三个晶闸管）整流桥整流成为直流。n 在稳定运行的情况下，变频器的进线每相电流的波形如图所示，其幅值由负载决定，也与电容值有关。n 该波形可以分解为

2、基波和各次谐波。n 由于变频器属于对称三相负载，故其谐波的次数没有偶数和三的倍数，只有6m+1/6m-1，为5,7,11,13,17,19,23,25,29,31,35,37,41,43,49,n 谐波的次数越高，幅值越小。=+SSD Marketing4电流谐波的衡量电流谐波的衡量n 总的电流谐波畸变率 (THDI)THDI = 谐波大小相对于基波信号大小的百分比n 谐波通过频谱分析仪测量或计算获得12242322.IIIIITHDInSSD Marketing5电流谐波的危害电流谐波的危害n 电流谐波产生功率损耗和干扰o总的输入电流方均根值的增加 (可达 50%)o电源的电压畸变 (电压谐

3、波)o功率因数的降低o变压器，电缆，其它电气元件的过载o对周围敏感设备的干扰o整流桥和变频器电容的过载o功率因数校正电容的过载o谐振的危险21 THDIIrms21 THDICosDn 例如对功率因数的影响：输入相电流波形与相电压波形本来接近“同步”，相移角基本为零，而相移系数CosPhi=1。考虑谐波产生的无功的影响，功率因数为D。如果不采取任何措施，D=0.90-0.92谐波产生功率损耗和干扰SSD Marketing6变频器谐波典型值变频器谐波典型值n 不采取任何滤波措施o0.75-15KW 100%o18.5-30KW 80-100%o37-110KW 60-80%o132KW及以上

4、5070n 例如ATV38在不加外置进线电抗器的情况下的谐波含量大致为：KWTHDI(%)KWTHDI(%)KWTHDI(%)0.75183.3618.576.589096.471.5165.422272.9611088.692.2157.193064.3213281.093147.583769.2316068.184142.054566.9120064.095.5169.255575.0925057.247.5160.877570.1328053.9911153.8131550.1315146.68无电抗器内置1电抗器无电抗器SSD Marketing7电流谐波标准电流谐波标准n IEC/E

5、N61800-3 应用于变速驱动装置n 指几个基本的标准，与变频器的功率额定值有关o所有这些标准应用于第一类环境“民用”o对第二类环境“工业”目前没有标准n 标准:oIEC 61000-3-2: I 16A 每相，对非专业设备对非专业设备，如脚踏车（跑步机？） 很少遵守 (成本太高)oIEC 61000-3-4: 16A I 75A 每相，对专业或非专业设备 I 16A 的变频器的标准oIEC 61800-3 指技术报告 IEC 61000-3-4: 平衡三相设备的电流发射限制平衡三相设备的电流发射限制SSD Marketing10电流谐波标准电流谐波标准n 每相电流16A Irms 75A的

6、变频器的标准o未来的 IEC61000-3-12 相对于IEC6100-3-4更加适用于交流变频器 如果线路电流的5次谐波相对于基波电压的相移： 90 150则变压器的损耗较低. 那么对于一个等效的Rsce，变频器允许的THID可以较高. 例如 : 相对于IEC61800-3-4标准, 针对THID 48%， Rsce从350减少到 120Up1I50- 1805最最小小 Rsce谐谐波波次次数数的的等等级级 In/I1*%允允许许的的总总的的电电流流畸畸变变率率%I5I7I11I13THDPWHD3310.77.23.121322 120402515104846*I1 = 基准基波电流; I

7、n = 谐波电流分量在特定条件下三相平衡配电网络的电流发射限制在特定条件下三相平衡配电网络的电流发射限制SSD Marketing11削弱谐波的可选方案削弱谐波的可选方案n 电抗器n 无源滤波器n 有源前端滤波器n 十二脉冲整流和十八脉冲整流n 整套装置的一体化解决方案SSD Marketing12电抗器电抗器n 电抗器的作用是平滑了电流波形，从而抑制了谐波畸变。n 可以安装位于进线侧的交流线路电抗器，或者位于直流侧的直流电抗器。直流母线电抗器交流线路电抗器THDI = 150%无附加电抗器无附加电抗器Line current spectrum9.383.201.800.870.740.490

8、.35 0.3025.94051015202530135791113151719212325Harmonic orderI (A)带带 3%附加电抗器附加电抗器THDI = 40%SSD Marketing13变频器谐波典型值变频器谐波典型值n 取决于输入线路电抗器0.50%1%1.50%2%2.50%3%5%580%60%50%46%42%40%32%760%37%30%22%20%16%12%1118%12%10%9%8%7.30%5.80%1310%7.50%6%5.80%5%4.90%3.90%177.30%5.20%4%3.60%3.20%3%2.20%196%4.20%3%2.80

9、%2.50%2.20%0.80%THDI102.50%72.20%59.60%52.30%47.60%44.13%34.96%电流增加量43%23%17%13%11%9%6%谐波次数输入阻抗SSD Marketing14谐波抑制电抗器的位置的影响谐波抑制电抗器的位置的影响THD = 84.23 % Irms = 33.6 A THD = 84.26 % Irms = 33.6 A在直流侧在直流侧 加装加装500H 电抗器电抗器在进线侧加装在进线侧加装250 H 交流电抗器交流电抗器Line current spectrum17.7611.842.801.821.380.870.730.5725

10、.75051015202530135791113151719212325Harmonic orderI (A)Line current spectrum17.5811.992.841.971.391.000.71 0.7025.70051015202530135791113151719212325Harmonic orderI (A)SSD Marketing15谐波抑制电抗器位置的影响谐波抑制电抗器位置的影响n 从减少电流谐波的角度看, 在直流侧加装电抗器和在交流侧加装电抗器,效果是相同的。n 为为获得等值的谐波抑制效果,加在直流侧的直流电抗器的电感值大致应等于交流测的交流电抗器的电感值的2

11、倍。n 线路电抗器产生的输出压降更大。n 线路电抗器可以提高变频器的对电网的抗扰性。SSD Marketing16ATV61/71变频器对于谐波抑制电抗器的考虑变频器对于谐波抑制电抗器的考虑n ATV8系列变频器内置交流线路电抗器或将其作为可选件。n ATV1系列开始倾向于内置或可选直流电抗器。n 也可提供交流线路电抗器与直流电抗器一起使用或单独使用。n 非常突出的成本收益比。n 谐波削弱的幅度满足大多数装置的需要。n ATV变频器集成了恰好够用的电抗器。n 在民用环境，利用这种方案可达到专用于专业设备的IEC 61000-3-12标准 (THDI = 48%)SSD Marketing17A

12、TV1 系列变频器配置电抗器的情况系列变频器配置电抗器的情况谐波水平谐波水平 / 装置装置总功率总功率P 15kW 75kW/90KW 500kW/630KW 可选 3%电抗器ATV11ATV31ATV71/61ATV71/61可选 3%电抗器ATV71/61集成集成 3%电抗器电抗器Irms减少减少60%THD 80%有=48%18.5kW-75kW内置内置大约80%有=48%90kW-220kW一起提供一起提供220kW一起提供一起提供80%有=48%11kW - 75kW内置内置大约80%有=120ATV61 480V 电抗器电抗器ATV61 240V 电抗器电抗器规格规格规格规格SSD

13、 Marketing19无源滤波器无源滤波器n 上述电抗器不能被无限制地放大（电压降落-转矩损失）n 但是，确实有些装置标准又要求更低的谐波水平 (比如 IEEE519 US)n 如果总的装置功率不是很明确或者在变化，那么必须每台变频器或机器单独处理n 无源滤波器可以将THDI降低到 16% 至10%的水准，而且，如果与电抗器结合使用的化，可以降低到5%n 这种方案从0.75kW到 500/630kW的变频器都可以适用。变频器占装置总容变频器占装置总容量的比例量的比例 %安装安装 3% 电抗器电抗器在公共连接点除的在公共连接点除的THDIHDI %104.4209301340185022602

14、770318035904010044SSD Marketing20无源宽域谐波滤波器无源宽域谐波滤波器SSD Marketing21宽域无源谐波滤波器的滤波效果宽域无源谐波滤波器的滤波效果n 实际应用数据-10HP/460VSSD Marketing22宽域无源谐波滤波器宽域无源谐波滤波器n 输入点 可保证THDI10%n 不需要系统分析n 不会产生系统谐振n 不会导致谐波引入n 可以对所有频率的谐波进行抑制n 成本较高：ATV1系列变频器的无源滤波器的价格接近变频器的价格SSD Marketing23正弦和有源再生整流器正弦和有源再生整流器n 对于一组变频器而言，若要将THDI削弱到5%以下

15、，这是一种更加有效的解决方案n ATV68R智能整流器可以吸收主电源上的谐波电流，从而 THDI 接近于0n 另外，因为这种系统是双方向性的，由电机所产生的能量（如制动时产生），还被反馈回电网。n 功率因数可调，有助于提高整个装置的功率因数n 这种方案可用于90kW to 660kW 智能智能整流器整流器 Altivar 68-RSSD Marketing2412脉冲整流和脉冲整流和18脉冲整流脉冲整流n 12脉冲整流: 可消除5,7,17,19次谐波n 18脉冲整流：可消除5,7,11,13,17,19,n 12脉冲整流需要一台特殊变压器：二次双绕组分别Y和三角接线+-SSD Marketi

16、ng25其实变压器前端加隔离变压器也可有效地减少电流其实变压器前端加隔离变压器也可有效地减少电流谐波（将其谐波（将其“堵堵”在变频器侧）在变频器侧）5th (250Hz)50%28%2.5%7th (350Hz)29%11%1.2%11th (550Hz)9%9.5%9.0%13th (650Hz)6.2%3.9%7.1%17th (850Hz)3.4%5.5%0.3%19th (950Hz)1.9%3.5%0.3%23rd (1150Hz)2.1%3.9%3.3%25th (1250Hz)1.51% 1.8%2.9%n上述百分比基于电源阻抗为2%。若电源阻抗不同，上述数值将相应变化SSD M

17、arketing26谐波抑制的方法效果比较谐波抑制的方法效果比较n 5%线路电抗器 THDI=30-35%n 5%线路电抗器+3%DC电抗器 THDI=25-30%n 5次调制谐波滤波器 THDI=20-30%n 5次+7次调制谐波滤波器 THDI=12-20%n 12脉冲变频器(对称线路电流) THDI=15%n 18脉冲变频器(对称线路电流) THDI5%n 宽域谐波滤波器 THDI=8-12%SSD Marketing27全套装置的一体化解决方案全套装置的一体化解决方案n 为了供电安全，Schneider还提供整体解决方案无源滤波器 (Rectiphase)有源滤波器 (Accusine

18、 & Sine wave)混合方案 (无源 + 有源)n 虽然作为服务部门, Schneider 可以帮您:谐波评估 估算环境的影响 选择最佳的解决方案n 如果想了解他们更广泛的帮助，请参加:Secure Power from design to operationSSD Marketing28IEEE - 519ISC/IL1111h1717h2323h=35TDD204.00%2.00%1.50%0.60%0.30%5.00%20507.00%3.50%2.50%1.00%0.50%8.00%5010010.00%4.50%4.00%1.50%0.70%12.00%100100015.00%7.00%6.00%2.50%1.40%20.00%SSD Marketing29IEEE - 519方案方案n BBHF =Broad Band Harmonic Filter(宽域谐波滤波器)SSD Marketing30谐波滤波技术一览谐波滤波技术一览技术低通（宽域）谐波滤波器串接无源谐波滤波器并接无源（调谐谐波滤波器）串接无源AC输入电抗器滤去的谐波频率所有谐振频率以上的频率特定调谐频率，例如3次，5次特定调谐频率，例如5次，7次，11次所有谐波频率，不同次数效果不同优势所有谐波频率最小；向负载提供谐波频率，但不从交流电源吸收；不会引起任何系统谐振；不会从其他