變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中無源濾波器的設(shè)計(jì)方法

程宏

摘要： 近年來，變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用快速增長(zhǎng)。但是一個(gè)不利的影響是它會(huì)在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波，并且降低真功率因數(shù)。真因數(shù)越低，意味著輸電網(wǎng)中產(chǎn)生越高的無功功率，降低電能的利用。變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入側(cè)的無源濾波器通過減少諧波，提高真功率因數(shù)來減少能源損耗。文章敘述了變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入側(cè)的無源濾波器的設(shè)計(jì)方法，并且用PSPICE軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

Abstract： The usage of Variable Speed Drives （VSDs） have grown rapidly in recent years. However， a unfortunate side effect of their usage is the introduction of harmonic distortion in the power system and reduction of true power factor （TPF）. The lower the true power factor， the higher the apparent power drawn from the distribution network， which makes poor electrical efficiency. A passive filter connected at the input side of a VSD converter reduces energy losses in the power supply system by reducing harmonics and improving the true power factor. This paper describes the design method of passive filters at the input side of a VSD and use PSPICE software to simulate and verify.

關(guān)鍵詞： 變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；無緣濾波器；諧波；PSPICE仿真

Key words： Variable Speed Drive；passive filter；harmonics；PSPICE simulation

中圖分類號(hào)：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）08-0091-04

0 引言

變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。但是它含有大量諧波，并且因此降低了與它相關(guān)的供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。中國(guó)是工業(yè)和能源需求大國(guó)，如何提高變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，減少能源消耗，是工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要課題。本文提出了用無源濾波器抑制諧波，提高功率因數(shù)的方法。成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)。

1 變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹

變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是過程控制的必須部分。它可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少噪音，增加效率和設(shè)備壽命，減少維修費(fèi)用。它的主要組成部分是電源，變頻器，控制回路加上感應(yīng)電機(jī)。但是，不利的影響是變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)在電力系統(tǒng)中引進(jìn)諧波干擾。作為一個(gè)非線性負(fù)載，變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出非正旋電流，富含諧波。這些諧波流入提供電能的電力系統(tǒng)，使配電設(shè)備（如變壓器）過載，并且和功率因數(shù)調(diào)節(jié)電容發(fā)生共振和其他問題。

諧波在20世紀(jì)90年代被發(fā)現(xiàn)以來，在能源質(zhì)量領(lǐng)域得到了廣泛的重視。多數(shù)情況下，直到故障的出現(xiàn)，才意識(shí)到它的影響。對(duì)它進(jìn)行深入的了解已經(jīng)提到重要的議題上。對(duì)電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波干擾制定規(guī)范已經(jīng)變得很重要。IEEE 519-1992標(biāo)準(zhǔn)對(duì)供電設(shè)施和用電設(shè)備的公共連接點(diǎn)處的諧波限制提供了指導(dǎo)方針。

變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的諧波可以用公式（1）來表示：n是諧波次數(shù)，k是任意正整數(shù)，q是能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的脈沖數(shù)。

n=kq±1（1）

所以典型的三相六脈沖整流電路中的主要諧波次數(shù)是5，7，11，13。

變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中富含諧波，在它的輸入側(cè)加入適當(dāng)?shù)臒o源濾波器可以消除大部分諧波，還可以提高它的功率因數(shù)。下面介紹一下幾種常用的無源濾波器原理和適用范圍。

2 無源諧波濾波器的種類

無源諧波濾波器由電感，電容和電阻原件連接而成來控制諧波。它們用途很廣，跟其他去諧波設(shè)備相比，費(fèi)用低廉。

2.1 并聯(lián)無源濾波器

最普通的無源濾波器是單調(diào)濾波器。這種濾波器在某一特定的諧波電流上顯示低阻抗，并聯(lián)在能源系統(tǒng)中。因此，諧波電流被從正常的流動(dòng)路線中分流到濾波器上。并聯(lián)濾波器還可以提供功率因數(shù)修正電容。圖1展示了幾種類型的并聯(lián)濾波器。

這種濾波器的一個(gè)重要影響是在低于陷波頻率處產(chǎn)生尖銳的并聯(lián)諧振點(diǎn)。它必須調(diào)到跟它所要消除的諧波頻率一致才能起到濾波作用。正常情況下，安裝一個(gè)7次濾波器也必須同時(shí)安裝5次濾波器。例如，對(duì)于三相六脈沖變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，5次和7次諧波濾波器必須調(diào)到250 Hz 和 350Hz。實(shí)踐中，為了避免由于時(shí)間和溫度引起的濾波器的參數(shù)變化而出現(xiàn)并聯(lián)諧振，這種濾波器都調(diào)到比諧振頻率低一點(diǎn)。多數(shù)中低壓濾波器都調(diào)到0.94倍的諧振頻率。

2.2 串聯(lián)無源濾波器

串聯(lián)無源濾波器與負(fù)載串聯(lián)相接。電感和電容在選擇的諧波頻率點(diǎn)并聯(lián)調(diào)諧成高阻抗。高阻抗在調(diào)諧的頻率點(diǎn)阻止諧波電流的流過。圖2展示了一個(gè)典型的串聯(lián)濾波器。

串聯(lián)濾波器能阻止單諧波電流，尤其在單項(xiàng)電路中。在多諧波電路中，它的使用很有限，主要是每個(gè)頻率的諧波電流都需要一個(gè)濾波器。而且，它需要設(shè)計(jì)成滿載電流并且需要過流保護(hù)裝置。

2.3 低通濾波器

在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要用到多重濾波器來消除多重諧波。低通濾波器配置由串聯(lián)電感和并聯(lián)電容組成。對(duì)于選定的頻率，LC組合對(duì)地提供一條低阻抗通路。它理想的應(yīng)用是阻止多重諧波頻率。低于截止頻率的電流可以通過，高于截止頻率的被濾波掉。圖3展示了典型的低通濾波器配置。用于變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的低通濾波器通常設(shè)計(jì)到2至4倍的基波頻率。在這個(gè)低的調(diào)諧頻率下，這種濾波器在和其他系統(tǒng)或者元件不產(chǎn)生任何諧振的情況下，濾除了大部分諧波電流，可以把諧波電流降至5-12%范圍內(nèi)。

3 功率因數(shù)

真功率因數(shù)和位移功率因數(shù)：

通常，對(duì)于真功率因數(shù)和位移功率因數(shù)有一個(gè)誤解。功率因數(shù)是電流和電壓之間相位角的余弦值。但是，這個(gè)公式適用于電壓和電流是純正弦的，負(fù)載必須是線性的，總諧波失真是零的條件下。在非線性負(fù)載中，真功率因數(shù)是有功功率和視在功率（含諧波）的比值。

總功率因數(shù)（TPF），失真系數(shù)Fdist，位移功率因數(shù)（DPF）和總諧波失真（THD）之間的關(guān)系可用下列公式表示：

TPF = DPF * Fdist （2） Fdist=■ （3）

TPF=DPF * ■（4）

4 變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的諧波和功率因數(shù)

文章用一個(gè)典型的1000 KVA，二次側(cè)415VAC，10%阻抗，X/R比是5的變壓器作為電源和一個(gè)三相不可控二極管橋式整流電路組成圖4所示的變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做為仿真模型，來描述變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入側(cè)無源濾波器的設(shè)計(jì)方法。圖4電路中，

DPF=cos？準(zhǔn)1=0.999（lagging）；THD=47.47%

TPF=■×0.999=0.902（lagging）。

5 無源諧波濾波器設(shè)計(jì)

5.1 單調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)方法

①選擇濾波器的調(diào)諧頻率。

② 計(jì)算電容量。

總體來說，濾波器的設(shè)計(jì)基于負(fù)載功率因數(shù)校正的無功功率需求。根據(jù)公式5，6，7，計(jì)算出無功功率需求，然后計(jì)算電容值（C）。

Q=P（tan？準(zhǔn)1- tan？準(zhǔn)2）（5）

XC1=■（6） C=■（7）

③根據(jù)下列公式計(jì)算出電感值（L）。

L=■（8）

h是想濾除的諧波次數(shù)，r是小于1經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取0.94。

5.2 低通濾波器的設(shè)計(jì)方法

跟單調(diào)濾波器比較，低通濾波器不是調(diào)諧濾波器。L和C的電感在截止頻率時(shí)等于特征內(nèi)阻，在這時(shí)起到濾波作用。該無源濾波器的設(shè)計(jì)是基于最小的無功功率需求和最大的諧波電流需要。根據(jù)公式（3） 和IEEE對(duì)諧波的限制要求，最佳方法是先在變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中加電抗器，去除諧波來提高真功率因數(shù)。設(shè)計(jì)低通濾波器的方法總結(jié)如下：

①在整流器輸入側(cè)連接電抗器。如果電流中總的諧波不滿足IEEE 519-1992標(biāo)準(zhǔn)，增加電抗量，直到諧波畸變達(dá)到限制標(biāo)準(zhǔn)。通常，取達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的最小電抗量。

②保持選擇的電抗，連接電容把位移功率提高到所需的數(shù)值。

5.2.1 選擇線路電抗器

根據(jù)公式（9），選擇5%電源阻抗的電抗器計(jì)算出L=0.18mH。然后用PSPICE軟件進(jìn)行仿真，用趨近法進(jìn)一步算出L=2.2mH時(shí)，THD=7.82%，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求（按IEEE 519-1992標(biāo)準(zhǔn)，圖4電路的THD應(yīng)小于等于8%）。

L=■（9）

5.2.2 濾波器電容值的計(jì)算

在這個(gè)例子里，假設(shè)期望的真功率因數(shù)是0.96，根據(jù)公式（5），（6），（7）計(jì)算出，C=780.6？滋F。因此，根據(jù)理論計(jì)算， L=2.2mH時(shí)，這個(gè)低通濾波器的截止頻率是：f0=■=155 Hz

它是3.1倍的基礎(chǔ)頻率（50Hz）。這個(gè)頻率低于圖4系統(tǒng)中最主要的諧波頻率5次諧波。就是說，圖4所以變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，高于5次的諧波，全部被設(shè)計(jì)的無源濾波器濾除。

在圖4所示的典型變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，加入C=780.6？滋F，L=2.2mH的三相無源低通濾波器后，輸入電流由238.2A變成226.8A，降低了11.4A。 THD 由47.74%變成5.84%， TPF由0.9變成0.96。圖5顯示了加入無源濾波器前后，變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入電流的諧波頻譜比較，圖6顯示了加入無源濾波器前后，變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入電流波形比較。

6 結(jié)語

文章介紹了幾種常用的無緣濾波器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。利用一個(gè)典型的變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型介紹了單調(diào)濾波器和低通濾波器的設(shè)計(jì)方法。并用PSPICE軟件仿真了在變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中加入低通濾波器前后，輸入電流波形和數(shù)值的變化，證明了文中設(shè)計(jì)方法的有效和可行性。通過仿真結(jié)果，論證了無源濾波器抑制變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)諧波，提高其功率因數(shù)的作用。

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