【变频器谐波对调速水泵机组效率的影响探析2900字（论文）】

变频器谐波对调速水泵机组效率的影响分析目录TOC\o"1-2"\h\u26624变频器谐波对调速水泵机组效率的影响分析 1197关键词：变频器谐波；水泵机组；效率；影响 13250一、变频器谐波的形成原理概述 110026二、水泵机组效率试验 16713三、分析变频器谐波对调速水泵机组效率的影响 211794参考文献： 3摘要：变频器谐波对调速水泵机组效率可产生一定的影响，为了进一步明确分析该影响，本文分析了变频器谐波的形成机理，并进行了相关测试研究，最终得出抑制变频器输出谐波可以提高调速泵机组的效率。最后，本文构建了相关滤波装置，以求最大程度上提高水泵机组的运行效率。关键词：变频器谐波；水泵机组；效率；影响水泵是供水工程中主要的设备之一，一旦选型错误，会损耗大量的能量和能源，而流量调节方式的正确与否也直接影响水泵的能量消耗。只有合理调节水泵转速，才能最大程度上节省能源，实现系统装置的最佳运行效率[1]。而所有调速方式中，变频方式应用较为广泛，该种调速方式利于控制，范围宽，但是变频器的谐波却对水泵机组效率具有一定的影响，对此，本文进行了相关研究与分析。一、变频器谐波的形成原理概述在水泵机组通过变频器调速过程中，调整变频器的输出频率可以控制异步电动机的速度，具体的变频调速系统由变频器（VVVF）、水泵（P）和异步电动机（M）组成[2]。这种系统中电动机的调速范围比较广。变频器工作原理多为交-直-交原理。具体的原理流程为：处于输入端位置的恒压恒频的交流电，在整流滤波后形成较为稳定幅值的直流电压，然后到逆变器上，接下来，逆变器控制回路，控制输出频率和电压，最终实现变频调速协调U/f的目标，进而调整电动机速度，调节水泵机组的工况。通常情况下，PWM型逆变电路是变频器的输出侧多采用的电路，逆变输出回路中输出经载波信号形成的脉冲电流和电压中含有大量基波以及高次谐波。谐波次数通常使用6n±1的方式来表示，n=1，2，3……二、水泵机组效率试验本文以西门子10KV高压水泵配以西门子G150变频器形成的水泵机组为例进行了相关试验。试验位置为变压器的总开关（变压器下端互感器上），试验仪器为CA8332电能质量分析仪。经测试后的2号变频器的测试数据为：运行电流是216A，总电流谐波畸变率为46%，其中电流谐波频谱是5次，这5次谐波频谱的畸变绝对值是25A；而电压运行为746V，总电压的谐波畸变率是6.8%，明显高于国际限值2.8%；此外，有功功率是356Kw，390kVA是其视在功率，而无功功率是158kvar，其自然功率因数是0.91.具体的变频输入图如下所示。图1：2号变频器的测试图经由测试结果可知，变频器总电流的谐波畸变较大，这是用电质量面临的主要问题。为了进一步验证变频谐波对调速水泵机组效率的影响，本文对变频调速水泵机组进行了试验。试验系统如图2所示。图2：试验系统该系统所使用的仪器仪表有高频电参数测量仪、流量计、扭矩传感器和变频器等。对变频器fn=50Hz时的滤波前后的电动机的输入电压波形进行记录和比较，最终发现，滤波前，电压波形非正弦波，但是经滤波后电压波形趋于标准化的正弦波。究其原因，主要是因为SPWM波控制变频器的输出电流和电压所致。该电压波形经由傅氏级数分解后则可以很清晰的看出其内含的高次谐波成分。对比滤波前后的水泵机组和电动机效率可知，转速降低后，其水泵的效率也随之降低，当降至20Hz时，水泵的效率则下降了6%。而对比滤波前后的水泵的效率和电动机效率可知，滤波后，这两种效率较滤波前均有所提高，对应至20Hz时，电动机效率提升了9%，而水泵的效率提升了3%，前者的提高幅度高于后者。就水泵机组的效率而言，其效率与频率呈正相关，频率下降后，效率也随之下降，而滤波前后的效率差则随之增大。可见，对变频器的输出谐波进行滤波可以有效的扩大变频调速水泵机组的调速范围。三、分析变频器谐波对调速水泵机组效率的影响1、变频器谐波影响水泵机组中的电动机由试验结果可知，经由变频器输出的电流和电压均具有谐波，会造成恒压恒频对称的正弦波电源供电下的性能和电动机的性能出现差别。这是变频器谐波对电动机的主要影响。具体的影响为[3]：①高频电流引发集肤效应，增加涡流损耗和磁滞，最终增加电动机在旋转过程中的绕组和铁心的附加损耗。因此，异步电动机如果存在谐波电压供电，则需增加电负荷和磁负荷，以此来降低功率因数和效率。②变频器谐波会致使电动机的绕组温度提高，一旦没有及时发现，经由长时间运行时，会对电动机绕组的绝缘功能造成影响，使其快速老化，最终影响电动机的使用寿命。③变频器的谐波效应可以形成电动机脉动转矩，最终出现噪声，形成振动，严重影响水泵机组的工作稳定性，最终干扰整个控制系统的工作效率。2、电动机效率影响水泵机组的能耗水泵机组的输入功率用P1表示，定量计算公式为：P1==。在该公式中，Q表示的是流量（m3/h）；H表示的是扬程（m）；ηP是水泵效率（%）；ηv是变频效率（%）ηm是电动机效率（%），ηg是水泵机组效率（%）。由公式可知，当谐波降低电动机的效率后，整个水泵机组的功率则会增加。而电动机效率的计算方法为：ηm=Pout/Pin，Pout是电动机输出功率（kW），Pout=Mn/9550，M代表扭矩，N·m；n代表转速（r/min），Pin则是电动机输入功率（kW）。此次研究中，变频器的功率较大，近似1，所以将电动机效率带入P1公式中，最终得出P1=。由此可知，电动机输入功率越大，水泵机组的功率则越大，而能耗则相对应的也越大。解决方案因为变频器谐波对水泵机组效率有所影响，所以，针对负载状况可以安装有源滤波装置，有源滤波装置由连接电抗器、电力电子功率模块、控制系统和断路器等构件组成。以此来抑制谐波，降低谐波对设备的干扰。有源滤波器的作用原理为使用电流互感器检测负载的电流，或者是检测系统，然后对谐波电流进行提取，利用IGBT逆变模块形成新的谐波去抵消负载产生的谐波。新形成的谐波同负荷谐波电流大小相同，方向相反。通过这种抵消方式来降低系统侧的谐波电流，滤掉谐波。有源滤波装置的应用过程为，首先，对接触器进行合闸处理，然后装置即可限制电阻对电容的充电过程，这种方式可以限阻上电过程产生的瞬间电流。一旦电容压趋于稳定时，断路器则会自行合闸，然后开启逆变装置。这个时候需要对接触器进行再度断开处理。这整个系统中，电容是一种储能元件，可以使用内部电抗器和IGBT逆变器向外输出电流。整个系统由外部的CT来测量电网电流和负载电流，然后将其输送至信号板做出相关处理。系统中的控制板的作用是计算负荷谐波电流，并闭环控制谐波电流补充，将最终形成的PWM驱动信号输送至驱动板。最终，经由驱动板处理的逆变器的IGBT电流注入到供电系统中，此时的逆变器的IGBT电流同无功率分量和谐波大小相同，方向相反。整个系统就是通过这种方式来抑制谐波。将整个系统安装至柜体中后，要做好通风散热处理，定期做好运行维护，保障装置的高效和安全运行。总结：通过本次研究得出，在20-50Hz范围内，经由试验后，滤波后机组效率较滤波前有所提高，同时电动机的效率也得以提升，提高的百分比分别为1%-3%和3%-9%。由此可见，要想提高调速水泵机组的效率，必须对变频器谐波进行滤波处理，但是，目前的滤波处理技术仍然不够完善，亟待相关部门和研究单位进一步研究和优化。参考文献：[1]张永,吕建刚,刘继光.变频器谐波产生