（电气工程专业论文）造纸工业谐波特征与滤波系统设计及仿真.pdf

硕士学位论文 摘要 电力系统的正常稳定运行是经济社会生活运转的基础，而大量电力电子设备 的应用而产生的谐波严重地威胁电力系统的安全。谐波污染成为电力系统的一大 危害。本文主要讨论造纸工业的谐波抑制问题。 首先，本文对谐波的产生及其危害进行了详细的分析，说明进行谐波治理的 必要性。随着国民经济的快速发展和人民生活水平的提高，对纸的需求量也越来 越大，人们对纸的需求和造纸行业本身的发展要求决定了造纸工艺技术的发展和 造纸设备的不断更新，造纸传动是其中最关键的技术之一，在现代纸机中，变流 技术是传动中的根本，在变流过程中产生大量谐波，这成为造纸行业对电力的大 危害，对其治理势在必行。 本文对造纸行业产生的谐波进行了定性和定量的描述，分析了特征谐波、非 特征谐波。给出了谐波计算公式。 在谐波抑制和治理的过程中，对谐波进行分析是首要工作，谐波分析方法的 研究是我们开展工作的基础，本文对谐波分析方法常见的几种进行了分析说明和 对比；然后在研究分析方法的基础上，推导了谐波检测过程，因为谐波的检测涉 及到有源滤波器的控制。， 本文给出了无源滤波器、有源滤波器及混合滤波器的结构，叙述了各种类型 的滤波器：无源滤波器、有源滤波器及混合型有源滤波器以及它们各自的优点与 缺点，使用范围及受到的限制条件。采用混合型滤波器在滤波效果上比单独采用 无源滤波器和单独采用有源滤波有效得多，且经济性也很好，混合型滤波器将是 以后发展的趋势。 通过对造纸行业电压和电流的现场测量，并进行数学分析之后，所得数据充 分证明了造纸工业进行谐波治理的必要性。 本文阐述了谐波屏蔽变压器的接线，并详细阐述了谐波屏蔽变压器的原理。 给出了具体设计时所必须满足的阻抗条件与调谐条件。设计了一个滤波系统。对 谐波屏蔽变压器在造纸行业的应用建立了一个初步模型并进行了仿真分析。 关键词：谐波屏蔽变压器；造纸；滤波器；谐波抑制；变频器 h a b s t r a c t t h en o r m a lr u n n i n go fp o w e rs y s t e mi st h eb a s eo fs t a b l ef u n c t i o no f s o c i a l i t y a n de c o n o m y al a r g en u m b e ro fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t sp r o d u c ep l e n t y o f h a r n l o n i c h a r m o n i ch a sb e c o m ead a n g e r o u sf a c t o rt o t h ep o w e rs y s t e m t h i sp a p e r d i s c u s s e st h eh a r m o n i cp r o d u c e db yt h ep a p e r m a k i n ga n dt h es u p p r e s s i o nm e t h o d so f h a r m o n i c f i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es o u r c eo fh a r m o n i c sa n d i t sh a r m ，m a k e sa c o n c l u s i o ni ti sn e c e s s a r yt ot r e a tw i t ht h eh a r m o n i c w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n de l e v a t i o no fp e o p l e sl i v i n g s t a n d a r d t h ed e m a n df o rt h ep a p e ri n c r e a s e sr a p i d l y ，t h ep a p e rd e m a n do fp e o p l ea n d p r o g r e s s o f p a p e r m a k i n g i t s e l fd e t e r m i n e st h ec r a f t e v o l u t i o na n dd e v i c e s u p d a t e d d r i v e ri so n e o ft h ep i v o t a lt e c h n o l o g yi nm o d e r np a p e rm a c h i n e c o n v e r t i o n o fe l e c t r i cc u r r e n ti st h ef u n d a m e n t i o n ，b u ti nt h ep r o c e s so fc o n v e r t i n ge l e c t r i cc u r r e n t t h ec o n v e r td e v i c e sp r o d u c eh a r m o n i c ，i ti sh a r m f u lt op o w e rs y s t e m , h a r m o n i c m u s t b es u p p r e s s e d t h eh a r m o n i co fp a p e r m a k i n gi sd e s c r i b e di nq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ei nt h i s p a p e r t h i sp a p e ra n a l y z e sc h a r a c t e r i s t i ch a r m o n i ca n dn o n 。c h a r a c t e r i s t l c h a r 】m o n l c a n dg i v e st h ef o r m u l aofh a r m o n i c i nt h ep r o c e s so fd e a l i n gw i t hh a r m o n i c t h ef i r s tt a s ki st oa n a l y z et h e h a r n l o n i c t h ep a p e re x p l a i n s s e v e r a lm e t h o d s f o r c a l c u l a t i n g t h em a k e u po f h a r m o n i c a n dm a k e sc o m p a r eo ft h e m s o m eo f m e t h o d sa r ed e s c r i b e da n dr e a s o n e di n d e t a i l t h i si st h eb a s eo ft h ec o n t r o lo f a p f t h ep a s s i v ef i l t e ra n dt h e a c t i v ep o w e rf i l t e ra n dh y b r i df i l t e r a r ee x p l a i n e di n t h i sp a p e r t h e i rs t r u c t u r e sa r ef i g u r e do u t t h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa n d t h e i rs c o p eo fu t i l i t ya n dc o n s t r a i n ta r ed i s c u s s e d h y b r i df i l t e ri se c o n o m i c a la n di t s f i l t e re f f e c ti sb e t t e rt h a nt h ep a s s i v ef i l t e ra n dt h ea c t i v ep o w e r f i l t e ra l o n e i ti st h e t r e n do fh a r m o n i cf i l t e rw i t ht e c h n o l o g yp r o g r e s s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed a t ao fv ol t a g ea n dc u r r e n tf r o mt h ef a c t o r y ，t h er e s u l t s h o 访st h eh a r m on i c oft h ep a p e r m a k i n gi n d u s t r ye x c e e d st h ed e m a n do fn a t i o n a l s t a n d a r d ，i ti sn e c e s s a r yt od e a lw i t ht h eh a r m o n i co ft h i si n d u s t r y i nt h i sp a p e rt h es t r u c t u r eo f h a r m o n i cs h i e l dt r a n s f o r m e ri se x p l a i n e d ，a n d i t s i l l 硕士学位论文 p r i n c i p l eo fs u p p r e s s i o ni ss e tf o r t h t h i sp a p e rg i v e st h ec o n d i t i o no fi m p e n d a n e ea n d t u n i n gc o n d i t i o nf o rd e s i g n i n gh a r m o n i cs h i e l d t r a n s f o r m e r af i l t e rs y s t e mi s d e s i g n e db a s e o nh a r m o n i cs h i e l dt r a n s f o r m e r m o d e li ss e tu pa n ds i m u l a t i o no ft h i s m o d e li sm a d eb ym a t l a b st o o l b o x k e yw o r d s ：h a r m o n i cs h i e l dt r a n s f o r m e r ；p a p e r m a k i n g ；f i l t e r ；h a r m o n i c s u p p r e s s i o n ；v a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v e s i v 硕士学位论文 i i 本文的研究背景 章绪论 电力系统谐波是因为电气设备电气参数的非线性而产生的。 发电机是公用电网电源，由于受自身结构和工作状况的影响，输出电压中含 有一定的谐波分量，对电网造成一定影响。通常在设计发电机时，会对其结构和 接线采取一些措施，从而大大削弱了谐波电动势的产生。 变压器励磁电流的谐波含量与其所加的电压( 即铁心饱和程度) 直接相关，正 常情况下为额定电压，铁心基本工作在线性范围，谐波电流含量不大。但当铁心 工作在饱和区，谐波电流含量大大增加。另外，在暂态扰动、负载剧变等非正常 运行状态下，都会产生大量谐波分量。 许多用电设备，都会成为谐波源。整流电路( 多采用晶闸管或二极管整流) 采 用移相控制，给电网留下一部分缺角的正弦波，其中含有大量谐波，随着整流装 置在生产中应越来越多的用，其产生的谐波在电力系统中的总比例也越快越高。 变频装置采用相位控制，常用于风机、水泵、电梯等设备中，谐波成份很复 杂，不仅含有整数次谐波，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，谐波 危害也较严重。 电弧炉、电石炉等加热炉料时很难同时接触三相电极，使得燃烧不稳定，引 起三相负荷不平衡，产生谐波电流。 荧光灯、高压汞灯、高压钠灯等气体放电类电光源，其伏安特性曲线是严重 非线性的，给电网造成谐波电流。 另外，电视机、空调、计算机、调光灯具等电器和办公设施，虽然功率小， 但数量庞大，也是不容忽视的谐波源。 谐波对电力系统的污染日益严重，谐波源的注入使电网谐波电流、谐波电压 增加，其危害波及全网，对各种电气设备有不同程度的影响和危害。电力系统中 谐波的危害是多方面的，概括起来主要有以下几个方面： ( 1 ) 影响电力线路的稳定运行。供配电保护系统一般采用电磁式继电器、感 应式继电器或晶体管继电器，这些保护装置在谐波的影响下，会产生拒动或误动 作，影响电力线路的安全稳定运行。 ( 2 ) 影响电网质量。谐波电压与谐波电流会导致线路及功率损耗增加，更严 重的会使供电质量下降，电器使用寿命缩短，甚至损坏。 ( 3 ) 对弱电系统设备产生干扰。谐波通过电磁感应、静电感应和传导三种途 径耦合到计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等这些弱电系统中， 造纸工业谐波特征与滤波系统设计及仿真 产生干扰，影响清晰度与准确性。 ( 4 ) 影响电力测量的准确性。目前采用的电力测量仪表通常为磁电型和感应 型，都是按工频正弦波形设计的，受谐波影响较大。特别是电能表，当谐波较大 时将产生计量混乱，测量失准【l ，2 1 。 ( 5 ) 对人体产生影响。人体细胞在受到兴奋刺激时，会在细胞膜静息电位基础 上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相近，电磁辐射就会直接 影响人的脑磁场和心磁场，从而影响人体健康。另外，电力系统谐波还会对电力 设备、电力电缆、用电设备等产生不同程度的影响和破坏。 ( 6 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。对如发电机的旋转电机产生附加功 率损耗、发热【2 ，3 1 、机械振动和噪声；对断路器，当电流波形过零点时，由于谐波 的存在可能造成高的d u d t ，将使断开困难，并且延长故障电流的切除时间。 ( 7 ) 谐波对供电线路产生了附加损耗。架空线路谐波电流产生热损，较大的 高次谐波电流分量能显著地延缓潜供电流的熄灭，导致单相重合闸失败。电缆中 的谐波电流会产生热损，使电缆介损、温升增大。由于集肤效应和邻近效应，使 线路电阻随频率增加而提高，造成电能的浪费；由于中性线正常时流过电流很小， 故其导线较细，当大量的三次谐波流过中性线时，会使导线过热，损害绝缘，引 起短路甚至火灾。 ( 8 ) 使电网中的电容器产生谐振【2 1 。工频下，系统装设的各种用途的电容器 比系统中的感抗要大得多，不会产生谐振，但谐波频率时，感抗值成倍增加而容 抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，谐振将放大谐波电流，由于谐波电流会引 起附加绝缘介质损耗，加快电力电容器绝缘老化。系统谐波电压或电流发生谐振 则引起过电压和过电流，对电气设备绝缘损坏，引起噪音与振动，导致电容器等 设备被烧毁。 谐波对其他系统及电力用户危害也很大，如对附近的通信系统产生干扰，轻 者出现噪声，降低通信质量【4 1 ，重者丢失信息，使通信系统无法正常工作，影响 电子设备工作精度，使精密机械加工的产品质量降低；设备寿命缩短、家用电器 工况变坏等。 1 2 国家对谐波的相关政策规定 随着电力系统谐波污染的加重，国家对谐波的影响越来越关注，在相关部门 的配合下，制定了一系列标准和规定，对各行业的用电提出了要求，以确保用电 安全。在国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织 都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。我国国家技术监督局 在1 9 9 4 年颁布了电能质量公用电网谐波标准( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 瞪】，国际电工学 会也在1 9 9 8 年对谐波标准i e c 5 5 5 2 进行了修改，欧洲制定了i e c1 0 0 0 3 2 标准。 2 硕士学位论文 1 3 造纸行业的传动特点 1 3 1 造纸行业的传动特点 造纸行业是我国工业的主要产业之一，在国民经济中起着重要的作用，其用 电量比较大，是高能耗的行业之一，影响国民经济的发展。降低能耗，提高经济 效益是企业的永恒目标。 在生产过程中，造纸行业要调节造纸机的运转速度，并且要连续调节，以前 主要采用直流电机调速，随着生产的发展和技术水平的提高，现在逐步改为采用 变频器调速【6 】。无论采用哪种方法都会产生谐波，都要治理。 我国造纸工业有效生产能力自1 9 9 0 年以来一直在持续增长，总产量不断上 升。据统计，自2 0 0 0 年以来，全球生产的大型造纸机有1 2 都安装在中国。由于 目前新增纸机的传动设备已经有8 0 以上采用交流传动变频器。以某厂引进的 v o i t h 产的1 7 15 万吨年的纸板机的装机容量为例，产品为双面涂布白纸板，幅 宽4 1 2 米，包括4 层网部、4 道压榨、1 0 组烘缸、1 组冷缸、l 组施胶压榨、3 道双辊压光、4 组气刀涂布、1 个卷纸部等，共计7 2 个部件，设计定量1 2 0 一- - 5 0 0 克平方米、车速6 0 0 米分钟，其纸机分部传动的变频容量总计为5 4 9 0 k w 。变频 容量是比较大的。同时高档纸机幅宽的增大和车速的快速提高都促使在装机中大 量使用最新的高档矢量型或d t c 控制型变频器。目前在纸机分部传动上使用的变 频器必须能同时具备以下特性：调速范围宽，可在全速度范围内调节，工作效 率必须在9 0 以上：功率因数高于0 9 以上；输入谐波电流总失真小于3 ； 采用可靠性高、技术成熟的标准器件i g b t ；能减少输出谐波分量并有效降低 d v d t 噪音和转矩脉动的效果；利用通讯功能实现数据的高速串行传输。 1 3 2 造纸机变频改造的前景和分析 据有关方面统计，我国造纸单机生产能力在5 万吨以上以及纸板机生产能力 在1 0 万吨以上的不足1 3 ，尚有2 3 以上的生产能力需要投入巨资改造，其中至 少l 3 的纸机需要部分或全部更换原来的传动部分( 包括机械齿轮箱和电机传动) ， 以提高车速或降低能耗【7 1 ，将会有相当数量的国产变频器被采用，因此国产变频 器市场潜力巨大，应该引起足够重视。我国造纸机分部传动设备以前采用s c r 直 流调速方式，由于存在滑环和炭刷造成可靠性和精度不高，从而导致纸机性能落 后，最高车速只有4 0 0 米分钟左右，很难同国外的1 0 0 0 米分钟的高速纸机相比。 交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济领 域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式。它不但具有直流 电机优良的调速性能，同时具有交流电机的简单性、可靠性，因而逐渐被广泛应 用，造纸机分部传动的变频化已是大势所趋。 3 造纸工业谐波特征与滤波系统设计及仿真 从表1 1 可以看出造纸行业产生的谐波在整个电力系统中的比重是很大的7 1 ， 对其产生的谐波进行治理是有意义的。 表i i 谐波源分布情况 整流 交流电力周波办公及家无谐波 行业电弧炉 装置调整装置交流器用电器源用户 造纸 化学 建筑材料 冶金 机械制造 其他制造业 铁路 公共事业 楼宇 通信 合计 比例( ) 1 4 造纸业谐波特点和谐波治理的现状 造纸工业谐波的特点 ( 1 ) 可控整流和不可控整流方式的谐波。控整流和不可控整流方式产生的谐波 成份的比例差别大，可控整流的谐波含量的比例随触发角变化而变化。 ( 2 ) 整流的多重化。在变频器中，主要有六脉波和十二脉波整流电路，还有十 八和二十四脉波整流电路等，每一种整流电路的特征谐波的含量和次数都不一样， 都要进行特别处理，也是该行业谐波治理的特点。 ( 3 ) 线性负载和非线性负载的相互影响。在实际生产中频变器负载和其它的线 性负载结合在一起，在进行谐波处理时带来困难。 ( 4 ) 由于变频器的逆变部分的输出一般都和输入的频率不一样，输入和输出之 间存在交叉调制，这样，不仅在电网侧有特征谐波还有非特征谐波，造纸行业的 谐波含量是比较复杂的。 ( 5 ) 现在行业大多数采用分部传动的形式，很多变频接在一根母线上，相互之 间干扰，使谐波参数不断变化，给谐波治理也带来了困难。 除此之外，变频生产厂家也在不断的加大变频器稳性，增加其容量，提高其 4 2 5 2 一 一 一 一 坦 6 l 2 5 1 8 7 1 4 l 钙 一 2 3 2 一 一 一 一 一 8 4 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 o o m 5 h 9 8 坶 加 m 2 脚 酪 硕士学位论文 效率的同时，不断提高功率困数，降低其谐波含量，这样，变频器组成的调速系 统的谐波也在不断的发生变化。 变频器在造纸行业的应用越来越多，变频容量也越来越大，产生的谐波量也 大量增加并且单个造纸企业的谐波容量也不断加大，对电网的影响不可忽略。而 现在在这方面的研究工作进行得十分有限，理论工作做得少，实际治理工作就更 加少了，目前的主要工作还是理论论证，实际工程很少。 。 在造纸工业不仅有变频器组成的变频调速系统还有由整流装置提供直流电流 驱动的直流电动机，其主要产生特征谐波，只不过因为采用可控硅，谐波的各次 含量在不同的触发角时比例差别大，要根据不同情况进行处理。 进行谐波处理的方法和设备很多，传统的有无源滤波器如单调谐滤波器，双 调谐滤波器，低通滤波器，高通滤波器，这样的虑波器，技术比较成熟，成本也 较低，其主要缺点是只能滤除特定次数的谐波，在生产比较稳定时，能取得好的 滤波效果，但是动态适应性差，在生产情况变化大时，不能取得好的滤波效果， 还有可能形成谐波放大，无源滤波器有很大的局限性。 与无源滤波相对应的有源滤波，采用有源器件，利用先进的检测方法，计算 谐波的含量，然后用信号控制有源器件，使其产生与谐波源相等，极性相反的电 压或电流，从而相互抵消，达到去除谐波的目的。这种技术适应性强，能自动跟 踪谐波源的变化，不但能滤除特征谐波，也能滤除非特征谐波，这是滤波技术的 新进展。尽管在目前还没有得到广泛应用，随着技术的发展，必将得到应用。 除此之外，结合有源滤波和无源滤波的优点而产生的混合滤波器是滤波系统 设计的一个重要方向，这也是比较完美的滤波方式。 技术的发展是止境的，还有很多的方法可以实现滤波，新型变压器就是一个 例子，滤波方法必将在实际中不断的产生和完善。 正因为造纸行业谐波是如此复杂，而其滤波工作尚未展开，对其谐波进行治 理的工作任重而道远。本文就造纸行的谐波进行了分析，得出了有价值的结论。 1 5 本论文研究的主要内容 本论文主要开展了如下几个方面的研究工作： 第1 章：在绪论部分给出了研究课题的工程背景及研究的必要性，阐明了谐 波的产生、危害以及谐波研究的意义。 第2 章：对造纸行业传动特点进行分析，阐述了直流电机调速和变频器调速 的特点及其产生的谐波。对谐波的计算方法进行阐述。 第3 章：对各种滤波器进行了阐述。并对各种滤波器进行比较，包括结构和 方法，总结了各种滤波器优缺点。 第4 章：通过对工厂电压电流采样，并对其进行谐波分析。为滤波系统的设 5 造纸工业谐波特征与滤波系统设计及仿真 计提依据。 第5 章：通过造纸行业电能质量分析得出造纸行业的具体参数，并建立了谐 波屏蔽变压器的实用模型，设计了一台变压器，建立了仿真模型，仿真说明了谐 波屏蔽变压器优越性。 最后，对本论文的研究结果进行总结，得出一些比较实用的，对实际工程具 有一定参考价值的结论，并指出下一步研究工作重点。 6 硕上学位论文 第2 章谐波分析与检测 造纸行业主要采用直流电机传动和变频器调速两种调速方式，下面就其产生 的谐波进行分析。 2 1 直流电机调速的整流分析 直流电机是一种应用广泛的电动机，因其调速线性度好因而在造纸行业得到 应用。直流电机一般采用三相六脉动或是十二脉动整流提供直流电源。 2 1 1 直流电机六脉动整流分析 六脉动整流的原理电路如图2 1 ： l a = n i 负 荷 图2 1 六脉动全桥整流电路 图2 2 为六脉动的电流波形，六脉动整流电路的电路参数如下： ( 1 ) 电阻性负载：当触发角0 口州3 时，直流输出平均电压= 1 3 5 u 2 工c o s 口； 当触发角州3 口 2 州3 时，直流输出平均电压u j = 2 3 4 u 2 1 + c o s ( 万3 + 口) 】； u 2 l 一阀侧线电压，u 2 一阀侧相电压。 ( 2 ) 电感性负载：对于电感性负载，由于电流是连续的，晶闸管的导通角总是 2 x 3 ，以= 1 3 5 矾，c o s 口，厶= 0 8 1 6 1 a ，1 2 一变压器二次侧电流有效值，i d 一直流q二山二 一 一 。 电流。 根据傅立叶级数分解，如图2 2 所示f 。波形，进行傅立叶分解： 驴2 等( s i no t - 1 5 s i n5 c o t - i 7 血7 优 ( 2 1 ) + 上s i n11 缈f + i s i n1 3 缈f l s i n1 7 国f l s i n1 9 缈f + 7 造纸t 业谐波特征与滤波系统设计及仿真 i di ，-l 口 l 瓣瓣。 兰装三一! ! ! 装! ! ! 图2 2 六脉动整流电路的电流波形 可以看出f 。中含有5 、7 、1 1 、1 3 等6 n + 1 ( n = 1 ，2 ，3 ，) 幅值较大的主要次 谐波电流。 2 1 2 直流电机十二脉动整流分析 三相十二脉动整流电路原理图如图2 3 所示，其一次侧是星形或三角形绕组， 二次两套绕组分别作星形和三角形连接，形成1 2 脉动整流所需要的3 0 0 相位差。实 际中常采用三绕组特种结构变压器，绕组连接方式为y y y ，y 和 y y y ，y 一，利用原副边星形与三角形两绕组间各相间电压依次形成 3 0 度相移，从而构成十二相脉动整流接线方式。和六脉动比较，十二相脉动的谐 波要少得多。 1 2 脉动整流器在交流侧产生电流谐波次数为1 2 k _ + l ( k = 1 , 2 ，3 ，) 次的特征谐 波 8 。10 1 。且其有效值与谐波次数成反比，而与基波有效值的比值为谐波次数的倒 数。除了特征谐波，整流电路还会产生非特征谐波 1 1 , 1 2 】。这是因为实际情况的变 化而产生的。 如果把6 脉动整流器改为1 2 脉动整流器，则式( 2 1 ) 变为： 屯( 删= 警厶( c o s t o t 一击c o s o h ) + 去c o s o 姒) 一去c o s g 姒) + 去c o s ( 2 姒) - ) ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 即为1 2 脉动整流器的谐波电流表达式。6 脉动整流与1 2 脉动整流器 理论计算谐波如表2 1 所示： 表2 1 理论计算谐波电流含量表 硕士学位论文 相 交 流 相 交 流 i d 图2 31 2 脉动整流的接线方案 j 2 2 变频器的原理及其调速系统谐波分析 变频器由于其优良的调速性能和显著的节能效果，近年来在矿井提升、建筑 机械、石油化工和造纸等行业得到了广泛的应用。 变频器有交一交变频器和交一直一交变频器变频方式，又可分为电压型和电 流型变频器。 2 2 1 交一交变频器的谐波分析 交一交变频器。它可以直接把电源频率的交流电变换为较低频率的交流电。 在电路结构上，它由接到同一交流电源上的若干个相控整流器所组成。按照一定 的规律控制各相控整流器的控制角，使整流器工作在整流或有源逆变状态，在变 频器的输出端就可以得到由多相整流波的包络线所组成的较低频率的交流电。 交一交变频器的优点是直接变换，效率高，可四象限运行，由于自然整流， 易制成可靠性高的大容量变换装置。缺点是，输出频率不宜超过电源频率，否则 输出电压、电流的畸变增大。线路复杂，输入功率因数低。主要用于低速、大容 量传动系统。 交一交变频器输入电流中的谐波分为两部分：一部分是特征谐波，仅与输入 频率、输出频率及相数有关，与变频器的结构无关；另一部分则不仅与输入频率、 输出频率及相数有关，而且与变频器结构有关，这一部分实际上包括相同结构整 流器的特征谐波及触发延迟角受到调制所产生的非特征谐波 9 , 1 3 - 1 4 】。当输出频率 9 造纸工业谐波特征与滤波系统设计及仿真 不同、负载不同时，输出电压谐波分量的幅值也会受到影响。 2 2 2 交一直一交变频器的谐波分析 380vb + il 2 z后= o ，1 i n l ( 2 1 2 ) 将x 。j ( 助和x 2 ( k ) 合成坦助运算可归结为： p 。( 后) 一噼x ：( 尼) 【x i ( 尼) + 孵x 2 ( 后) 依此类推，x l ( k ) 和x 2 ( k ) 可以继续分下去，这种按时间抽选算法是在输入序 列分成越来越小的子序列上执行d f t 运算，最后再合成为点的d f t 。得到如下 的蝶形图： x ，( 五) o o = 五 并o = 乃= 五 露= 五 乃= 彳 斧= s 髭= 石 刀= 石 x 1 ( 忌) + x 2 ( 五) x 1 ( 五) 一x 2 ( 五) 图2 5f f t 蝶形图 图2 6n = 8 的f f t 流程图 因此f f t 计算程序一般包括采样序列的二进制编码序号倒序排列和蝶形递推 1 6 硕士学位论文 预算两个部分。通过该两项算法，可使复数乘法运算大量减少，由d f t 的n 2 次 减少为f f t 的r a n 2 次，例如n = 1 2 8 ，d f t 需要运算1 2 8 2 = 1 6 3 8 4 次，而f f t 仅 需7 1 2 8 2 = 4 4 8 次，从而使谐波分析的速度大大提高。 3 瞬时无功谐波计算方法 瞬时无功功率的谐波检测法，也称为p g 法【2 5 ，2 7 3 0 】，是日本学者a k a g ih 于1 9 8 4 年提出的，其目的是为了解决其研制的并联型有源滤波器谐波与无功功率 的快速检测，从而为有源滤波器提供参考的补偿电流。其核心思想是根据所定义 的瞬时功率的波动部分为谐波电流和系统电压作用的结果这一特点来提取谐波分 量。傅里叶级数分解法能分解出畸变波形中的各次谐波的含量，但它需要一个周 期的数据才能进行分解、实时性不好。p 、g 算法是以三相电路瞬时无功功率理 论为基础，计算三相瞬时有功功率p 、三相瞬时无功功率g 为出发点的运算方法， 它具有良好的实时性。该方法的原理框图如图3 - 3 所示。图中上标1 表示矩阵的 g ：= 席压- 1 是岩劫 2 匕羔_ j 铷岛= 如- 1 2 剖0 图2 7p g 运算方法原理图 该方法根据瞬时无功功率理论的定义算出p 、q 【3 1 1 ，经低通滤波器( l p f ) 得 p - g 的直流分量磊、磊。电网电压波形无畸变时，磊为基波有功电流与电压作用 所产生，玩为基波无功电流与电压作用所产生。于是，由a 、玩即可算出被检测 电流屯、的基波分量0 、芬、0 。将乞、屯、乞与0 、磅、0 相减，即可得 1 7 造纸工业谐波特征与滤波系统设计及仿真 出i 。、i b 、i c 的谐波分量乙、屯。 设系统为三相三线制系统，三相电流、电压的瞬时值分别用、i b 、t 和“。、 、u c 表示，满足i 。+ i b + f 。= 0 和u 。+ + “。= 0 。 令： 1 2 压 2 e 扑豳 耻黔圈 阱 乏跚iu a 芦u 口j 翻l i p 卧 ：= = 嘶嘶乞 刚乏：爱；l i a s i n , o t - 矿, 瑚 耻阱廖e 翻 e = ： = 唇。 = z ， 1 8 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 回分 乃 趵 缈 1 t 1 1 l 2 乙涌 互 互 ： 互 q 蚴 q q 亿 q 硕士学位论文 p 2 e 只2 盖乜l c o s 矿 ( 2 2 1 ) g 2 e - pe 2 量瓯l s 劬 ( 2 2 2 ) 小时吲2 啦刮 亿2 3 ， 一圈 亿 计算谐波的方法还有如下多种：卡尔曼滤波，d q 变换子【3 2 ，3 3 1 ，滑窗迭代离散 2 4 小结 本章首先对造纸工业产生的谐波进了理论分析，包括为直流电机提供直流的 电路六脉波和十二脉波整流的谐波特征，和现代造纸工业主要采用的变频器调速 系统的谐波特征。接着对谐波检测的阐述和比较，并生重点推导了常用的谐波检 测检测原理，为滤波系统器设计的谐波含量计算提供理论依据。 1 9 造纸t 业谐波特征与滤波系统设计及仿真 第3 章造纸工业现有的谐波治理的主要方法及设备 3 1 抑制谐波的方法 抑制谐波的基本思路有三条，一是装设谐波补偿装置来补偿谐波；二是对电 力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1 ；三是在市电 网络中采用适当的措施来抑制谐波，具体方法有以下几种： 1 变频器的隔离、屏蔽、接地 变频器系统的供电电源与其它设备的供电电源相互独立。或在变频器和其它 用电设备的输入侧安装隔离变压器。或者将变频器放入铁箱内，铁箱外壳接地。 同时变频器输出电源应尽量远离控制电缆敷设，必须靠近敷设时尽量以正交角度 跨越，必须平行敷设时尽量缩短平行段长度，输出电缆应穿钢管并将钢管作电气 连通并可靠接地。 2 力口装交流电抗器和直流电抗器 当变频器使用在配电变压器容量大于5 0 k v a ，且变压器容量大于变频器容量 的1 0 倍以上，则在变频器输入侧加装交流电抗器。而当配电变压器输出电压三相 不平衡，变频器输入电流峰值很大，会造成导线过热，则此时需加装交流电抗器。 严重时则需加装直流电抗器。 3 加装无源滤波器 将无源滤波器安装在变频器的交流侧，无源滤波器由l 、c 、r 元件构成谐波 共振回路，当此回路的谐波频率和某一次高次谐波电流频率相同时，即可阻止高 次谐波流入电网。无源滤波器特点是投资少、结构简单、运行可靠及维护方便。 无源滤波器缺点是滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波有放大的可能、体积 大。 4 加装有源滤波器 早在7 0 年代初，日本学者就提出有源滤波器的概念，有源滤波器通过对电流 中高次谐波进行检测，根据检测结果输入与高次谐波成分具有相反相位电流，达 到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比具有高度可控性和快速响应性， 有一机多能特点。且可消除与系统阻抗发生谐振危险。也可自动跟踪补偿变化的 谐波。但存在容量大，价格高等特点。 5 加装静止型无功补偿装置 对于大型冲击性负荷，可装设无功功率的静止型无功补偿装置，用以补偿负 荷快速变动的无功需求，改善功率因数，滤除系统谐波，减少向系统注入谐波电 硕士学位论文 流，稳定母线电压，降低三相电压不平衡度，提高供电系统承受谐波能力。而其 中以自饱和电抗型的效果最好，其电子元件少，可靠性高，反应速度快，维护方 便经济。 6 线路分开 因电源系统内有阻抗，所以谐波负荷电流将造成电压波形畸变。把产生谐波 的负荷的供电线路和对谐波敏感的负荷供电线路分开，线性负荷和非线性负荷由 不同的电路馈电，使非线性负荷产生的畸变电压不会传导到线性负荷上去。 7 电路的多重化、多元化 逆变单元的并联多元化是采用2 个或多个逆变单元并联【”】，通过波形移位叠 加，抵消谐波分量：整流电路的多重化是采用1 2 脉波、1 8 脉彼、2 4 脉波整流，可 降低谐波成分：功率单元的串联多重化是采用多脉波如3 0 脉波的串联功率单元降 低谐波成分。此外还有新的变频调制方法，如电压矢量的变形调制。 8 变频器的控制方式的完善 随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术发展，变频器控制 方式有了以下发展：数字控制变频器，变频器数字化采用单片机，辅助以液晶显示 器等来实现更加完善的控制性能，从而达到降低谐波提高效率的功效。 9 使用理想化的无谐波污染的绿色变频器 绿色变频器的品质标准是：输入和输出电流都是正弦波，输入功率因数可控， 带任何负载使都能使功率因数为l ，可获得工频上任意可控的输出功率。 目前处理变流器谐波问题的主要设备有：有源滤波补偿；无源滤波补偿。 无源滤波器又可分为单调谐滤波器、双调谐滤波器、三调谐滤波器等。 有源滤波器a p f 可分为串联型、并联型、混合型等。 3 2 无源滤波器 装设谐波补偿装置的传统方法就是采用l c 调谐滤波器，l c 回路的谐振频率 和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。这种方法既可补 偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要 缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，导致谐 波放大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿 效果也不甚理想。尽管如此，l c 滤波器结构简单，当前仍是补偿谐波的最主要手 段，l c 滤波器主要有单调谐滤波器，双调谐滤波器，高通滤波器等。现在用得较 多是有单调谐滤波器和双调谐滤波器，在生产中有成熟的设计方法和应用经验。 高通滤波器也称为减幅滤波器，有四种形式的高通滤波器，即一阶、二阶、三阶、 c 型四种。c 型高通滤波器的缺点就是对基波频率失谐和原件参数漂移比较敏感。 c 型滤波器在工业中较少用到。 2 1 造纸工业谐波特征与滤波系统设计及仿真 3 2 1 单调谐滤波器 ( 1 ) 单调谐滤波器 它是利用r ，l ，c 电路串联谐振原理构成。在具体工程中接线方式灵活多样。 单调谐滤波器的优点是滤波效果好，结构简单，缺点是电能损耗比较大，但随着 品质因数的提高而减少，同时又随谐波次数减少而增加，低次谐波主要是2 7 次， 因此，基波损耗放大。 ( 2 ) 单调谐滤波器的基本原理 单调谐滤波器的电路原理图如图3 1 所示： z d o 行q ( a ) ( b ) ( a ) 电路原理图( b ) 阻抗频率特性 图3 1 单调谐滤波器原理及阻抗频率特性 滤波器对1 1 次谐波的阻抗为： z 启= + ，o q 三一国。c ) ) ( 3 1 ) 式中，下标磊表示第1 1 次单调谐滤波器。 由上式画出单调谐滤波器阻抗随频率变化的关系衄线，如图3 1 b 所示。 单调谐滤波器对单次谐波具有调谐性能好、损耗小的特点，但电容器、电抗器、 电阻器等电工元器件随着运行时间的增加，电容器介质的老化等原因，电气参数会 发生一定的变化。因此，当电网频率发生偏移或电容、电感等参数发生变化时，容 易造成滤波器失谐，从而影响滤波效果。滤波器运行一段时间后，要对滤波器进行 必要的测试和调整。为保证正常失谐情况下滤波器仍能满足各项技术要求，就必 须牺牲滤波效果。而且电网阻抗变化有可能导致滤波装置与其发生并联谐振，对电 网产生危害。这些都使单调谐滤波器的应用受到了很大限制。 电力系统在实际运行时的频率总有一定偏差，这将使各次谐波频率发生相应 的偏移【3 4 1 。当取滤波器的谐振频率与系统额定频率下的某次谐波频率相等时，在 系统频率发生偏移时两者不再相等。此时，滤波器阻抗偏离其极小值，使滤波效 果变差，这种情况称为滤波器的失谐。另外，电容器和电感线圈的参数，在运行 过程中会因周围温度的变化、自身发热和电容器绝缘老化等影响而发生变化，在 t叮q鼬， 硕士学位论文 安装和调试过程中也会存在误差，从而使得实际参数和相应的谐振频率偏离设计 值，导致滤波器失谐。考虑上面两种失谐因素时，滤波器的性能不是简单地仅由 谐振频率下的阻抗来决定，还取决于谐振频率附近的阻抗特性。滤波器在某次谐 波频率下的阻抗公式为 i z 扫悖r 启1 + 4 t $ 2 q 2 = x o q 。2 + 4 ( 3 2 ) 式中： q 一滤波器的调谐锐度，q = 既l r 南； 一总失谐度吒- - a f l + i 2 ( a l l + c o 。 显然，q 值越大，i z 廓i 越小，滤波效果越好，实际上电感线圈总有一定的电 阻，q 必为有限值，所以选择合适的q 值才能使滤波效果。 3 2 2 双调谐滤波器 双调谐滤波器有两个谐振频率实际上相当于两个并联的单调谐滤波器，它同 时吸收两种频率的谐波【3 5 】【3 6 1 。与两个单调谐滤波器相比，减少了回路。这种滤波 器结构比较复杂，调谐较困难，但在高压大容量滤波装置中采用有一定的技术、 经济上的优越性。 图3 2 双调谐滤波器原理图 双调谐滤波器与单调谐滤波器相比，其基波损耗较小，且只有一个电感厶承 受全部冲击电压。正常运行时，串联电路的基波阻抗远大于并联电路的基波阻抗， 所以并联电路所承受的工频电压比串联电路的低得多。另外，双调谐滤波器还有 一个特点，就是并联电路中的电容c ，容量一般较小，基本上只通过谐波无功容量。 由于双调谐滤波器比单调谐滤波器的投资少，经济性好，因此近年来在国内外的 一些高压直流输电中越来越多的被采用。 ( 1 ) 双调谐滤波器的阻频特性 传统双调谐滤波器的基本电路如图3 2 所示。它有两个谐振频率，可同时为两 个邻近的频率的谐波提供短路通道，其作用等效于两个单调谐滤波器，一个串联 谐振电路，另一个为并联谐振电路。 串联回路阻抗： 造纸t 业谐波特征与滤波系统设计及仿真 z ，瑚，+ j ( r - o l l 一者 设其调谐频率为c o r 。，则： 1 。面 串联回路c l 厶的阻抗特性如图3 3 ( a ) 所示。 z z d r ( 3 3 ) ( 3 4 ) 并联回路阻抗：由于并联电阻r ，很小，不计并联电阻，则： 乙=兰至=忑1jcoz；b5，： 乙= 竿= 广 ( 3 5 ) + - ，玄吗一二c o l 2 设其调谐频率国，：，则： q ：2 鬲1 3 6 并联回路g 厶的阻抗特性如图3 3 ( a ) 所示。图3 3 c a ) d o 两个阻抗特性曲线中， 虚线部分表示滤波器的阻抗呈容性；实线部分则表示滤波器的阻抗为感性；由图 3 3 ( a ) 可知，对于