中压变频器生成谐波的危害和抑制方法的探讨

图瞳目豳　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ＂ｒｅｃｈｎｉｃｓ　中压变频器生成谐波的　危害和抑制方法的探讨　Ｄｉｓｃｕ　ｏｆ　ｔｈｅ　伍杰林宇峰（广东中远船务工程有限公司技术中心广州５１００００）　Ｗｕｊｉｅ　Ｌｉｎ　Ｙｕｆｅｎｇ　ＣＯＳＣＯ（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ）Ｓｈｉｐｙａｒｄ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｅｎｔｅｒ　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１　００００　关键词：中压变频器　谐波危害抑制　ｈａｒｍｏｎｉｃｓ　ＣｏｎｔｒｏＩ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｍｅｄｉｕｍ—ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　Ｈａｒｍｓ　ｏｆ　摘要：随着现代造船的发展，电力推进系统在舰船的应用越来越受到关注和应用，中压变频器　的应用也越来越广泛，其谐波干扰问题日益引起人们的重视，本文主要介绍了中压变频器谐波产生的　原因及其危害，提出了抑制谐波干扰的实际的解决方法。　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈａｒｍｏｎｉｃｓ　ｆｒＯｍ　ｍｅｄｉｕｍ—ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ａｔｔａｃｈｅｓ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｅｏｐｌｅ　ａｓ　ｔｈｉｓ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｓｈｉｐｓ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎ　ｗｈｙ　ｈａｒｍｏｎｉｃｓ　ｉｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｍｅｄｉｕｍ——ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ａｎｄ　ｈａｒｍｓ　ｏｆ　ｉｔ　ａｎｄ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｏｌｉｃｙ　ｆｏｒ　ｉｔ．　１前言　弦波，而是以脉动的断续方式相电网索取电流，而这种脉动电流　和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网上，使电压产　船舶综合电力推进系统是在电力推进的基础上发展起来　的，电力推进系统主要是将舰船推进原动机（一般应用的是柴油　机）产生的机械能变为电能，并以电机驱动舰船螺旋桨的一种推　进方式。而作为电力传动及调速的中枢，节约能源先锋的变频　生畸变，经傅立叶分析可知，虽然变频器输入电压波形基本上是　正弦波，但输入电流是脉冲式的充电电流，含有大量的谐波。　器，它的应用和保护在综合电力推进系统中的地位就尤为重要，　变频器是一种频率变换器，它能把５０　Ｈｚ恒定不变的交流电变换　成频率连续可调的交流电，来实现对电机的调速，采用变频器驱　０譬　＿ｐ　Ａ：≮　Ｔ０　ｊ量　：．　厂一　～、　——　…ｌ¨＿＿—　—＿ｌ　｝　＜　一　动的电机系统节能效果明显，调节维护简单，网络化等优点，因　此变频器在船舶电力推进系统中越来越被广泛应用。由于变频器　在工作时输入输出端产生高次谐波，谐波造成电网污染，电网电　Ｓ　压的畸变和对发电设备产生巨大影响等，因此有必要探讨在电力　推进系统中变频器产生的谐波的危害和抑制方法。　３谐波的危害　２谐波的产生　变频器是电力推进系统的核心设备，在电力推进系统中，　从变频器工作的原理图（见图１】可以看出：变频器将工频电流　通过整流器变成直流，然后再经大电容的滤波器后，经过逆变器　图１变频器工作原理图　Ｏ　对于电力推进系统来说。谐波的危害主要表现在以下几个　方面。　１）过压　从目前中压变频器主电路的拓扑结构上来看，多电平逆变　电路已成为发展趋势，其核心控制方式仍然是电压型ＰＷＭ技　术。ＰＷＭ逆变器输出的具有陡上升沿或下降沿的脉；中电压在电　将直流变换成可控频率的交流。而逆变器必须配备具有开关功能　的绝缘栅双极性晶体管（ＩＧＢＴ）或晶闸管，对于频率可变的三　相电压系统，中间电路的导通和关断是通过逆变器以固定的脉冲　频率与不同的持续时间和极性来实现，通过相应的极性时序和电　动机接线端子及绕组上产生了过电压，造成电动机绕组绝缘的过　早破坏，中压变频调速装置功率大，谐波含量高，变频器输出波　压脉冲持续时间的选择，所有电压模块的基波都具有正弦特性，　频率是由所期望的电机转速决定，众所周知，谐波产生根本原因　是由于非线性负载所致，而在逆变器中采用了绝缘栅双极性晶体　管等非线性电子元件，变频器从电网中吸取能量的方式都不是正　形中存在大量谐波会使电机过热、产生振动和哚声，尤其是电机　绝缘过早损坏问题变得更加突出。这一问题直接关系到变频调速　装置在中压大功率领域的推广应用。　从时域上看，很高的电压上升率（ｄｖ／ｄｔ）在电动机绕组上　维普资讯 http://www.cqvip.com

产生极不均匀的电压分布，长时间重复性的电压应力作用将导致　电动机绕组匝问绝缘过早破坏；从频域上看，ＰＷＭ波形中固有　的高次谐波在电缆中的传播是一个波过程，且随着变频器与电动　机之间电缆长度的增加，在电动机接线端子上产生高频振荡的过　电压，引起电机局部放电现象，持续的局部放电导致绝缘击穿。　在这里我们再回顾一下中压变频器在电力推进系统中的工作原　理，就不难明白中压变频器与电机之间的电缆为什么会在产生过　压现象了，三相交流电源输入，经过整流电路，将耦合的交流　电压变成直流电压，滤波后再经逆变器，电机供电变频电缆到　驱动电机，逆变器必须配有先进的快速的绝缘栅双极性晶体管　（ＩＧＢＴ）或晶闸管，为了产生频率可变的三相交流电，在逆变　器中，不同的脉；中宽度和极性的各个脉冲组以不变的脉冲频率交　换接通和断开耦合电压，如果选定了相应的电压脉冲的极性和宽　度，那么所有电压组别的基波都具有正弦特性和驱动电机预定　的转速频率。但是这样的三相交流电含有大量的谐波，由频率　曲线特性可知，谐波的频率越高，曲线的斜度就越陡，曲线也　越尖，由于快速的绝缘栅双极性晶体管（１ＧＢＴ）或晶闸管的开　关速度快，这会导致大约３～４　ｋＶ／ｍｓｆ￣电压上升和频率范围大于　１００　ＭＨｚ的谐波。在高频电路中，信号是以波的形式在传输线中　传播的，而传输线路电缆的长度比变频器输出的波长短，电缆入　口就作为一个波阻抗，变频器的每次开关都会损耗电压模块的电　感应系数，导致每个电压单元的输入和输出电压增加。导致变频　电缆持久的过压。　２）老化　由于电缆防护层与导体之间的绝缘性，产生电容性能，绝　缘性能低会导致很高的电容量　这使导体与地之间通过防护层产　生电容漏电电流，这些电流又加热绝缘层，加速电缆的老化，此　外谐波导致过压，大量谐波会使电缆过热。　３）对用电设备的影响　在中压变频器中，使用大功率的电子器件，容易对船舶的　电力系统产生谐波污染。对于运行电机，谐波将引起附加损耗，　使电动机转矩减小，对测量仪表将产生虚假的谐波功率，出现随　机误差；对于继电保护装置，谐波将影响其设定整定值，引起误　动作；对于通信网络，谐波将影响其电磁效应和正常的载波等　等　４谐波的抑制　目前抑制谐波的一个重要趋势是采用有源电力滤波器，它　串联或是并联在电路中，实时从补偿对象中检测出谐波电流，由　补偿装置产生～个与谐波电流大小相等，方向相反的补偿电流，　从而使电流只含基波分量；除了在电路中增加滤波器外，应用其　他方法也可以降低谐波。　①变单元的并联多样化，采用２个或多个逆变单元并联，通　过波形叠加抵消谐波分量。　②流电路的多重化，在ＰＷＭ变频器中采用１２脉冲，１８脉冲　或２４脉冲的整流，以减少谐波。　③逆变单元的串联多重化，采用３０脉冲的串联逆变单元多　重化线路，以减少谐波。　④采用新的变频调制方法，如基于ＤＴＣ（转矩控制）理论　的又是高性能的交流变频技术。　以上几种抑制方法能有效的减少谐波分量，采用多增加逆　变单元的并联／串联以及整流模块，虽然能进一步减少谐波，但　是增加了电路的复杂性及设备成本。而ＤＴＣ控制技术屏弃了矢量　控制中电流解耦的控制思想，去除了ＰＷＭ脉宽调制器和电流反　馈环节，通过检测母线电压和定子电流，直接计算出电机的磁链　和转矩，并利用两个滞环比较器，直接实现对磁链和转矩的解耦　控制。直接转矩控制在很大程度上克服了矢量控制的复杂性，系　统结构简单，控制思路新颖，具有很好的性能，但是这种技术还　没有被广泛的被应用，随着该技术条件的成熟，具有更好的发展　前景。　５结论　本文分析了中压变频器在电力推进系统的应用中产生谐波　的原因，危害和抑制方法，将中压变频器产生的谐波控制在最小　范围内（一般要求低压配电系统的Ｔ　Ｈ　Ｄ（总谐波变形值）小于　５％，推进系统的Ｔ　Ｈ　Ｄ应小于８％），达到科学合理的应用，　促进造船业的发展。　参考文献：　［１］刘凯，李明勇多相整流谐波抑制技术，［Ｊ］船电技术２００５（３）。　［２］陈颖，张俊杰ＳＰＷＭ逆变电源的谐波分析和抑制策略，［Ｊ］船电技　术２００５（１）。　［３］陈旭武电压型正弦波脉宽调制器逆变器研究［Ｊ］船电技术　２００６（２）　圈酉圈　作者简介：伍杰（１９７６一），男，助理工程师。　收稿日期：２００７年５月３０日