CN102403957A

CN102403957A - 一种无谐波变频调速装置

Info

Publication number: CN102403957A
Application number: CN2011103500104A
Authority: CN
Inventors: 孟超; 洪永强; 李钷
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2012-04-04

Abstract

一种无谐波变频调速装置，涉及一种变频调速装置。设有变频器和谐波补偿电路，所述变频器设有整流电路、滤波电路和逆变电路，所述整流电路、滤波电路和逆变电路依次串联，逆变电路的输出端接电机；所述谐波补偿装置设有进线电抗器、无源电力滤波器、有源电力滤波器、直流侧电容、电网电流传感器、负载电流传感器、补偿电流传感器和电网电压传感器，所述进线电抗器串联在变频器的电源输入侧，无源电力滤波器与变频器并联接到电网中并安装在进线电抗器的前端，无源滤波器的后端与有源滤波器串联，有源滤波器的后端与直流侧电容串联，电网电流传感器、负载电流传感器、补偿电流传感器和电网电压传感器串联。

Description

一种无谐波变频调速装置

技术领域

本发明涉及一种变频调速装置，尤其是涉及一种无谐波变频调速装置。

背景技术

随着电力电子技术的发展和节能调速的需要，越来越多的变频器应用到了工业生产中。常规的变频调速装置由图1(标记M为电机)中的整流电路1、滤波电路2和逆变电路3组成，由于整流电路1通常采用功率二极管进行不控整流，因此会产生大量的谐波，总谐波畸变THD通常会大于150％，这将对电网造成极大地谐波污染，同时会危及变频器周围用电设备。

目前，用于变频器谐波抑制和治理的方法有以下几种。

(1)在变频器输入侧串联进线电抗器。进线电抗器既能阻止来自电网的干扰，又能减少整流电路1产生的谐波电流对电网的污染。选用合适的进线电抗器后，进线电流总谐波畸变THD可降至50％左右。

(2)在变频器输入侧加装高频磁环。这种方法抑制谐波的原理和第一种方法一样，所能取得的效果也和第一种方法所差无几，但是在变频器容量较大时，安装磁环的成本比串联电抗器更低。

(3)在变频器输入侧并联无源电力滤波器。工业上抑制谐波畸变最常用的方法是采用无源滤波器，包括单调谐滤波器、高通滤波器和带通滤波器等，其具有结构简单、设备投资较少、运行费用较低等优点，因此至今仍是使用最多的方法。但是无源滤波器存在一些无法根除的缺点：补偿效果对负载有依赖性，使用不够灵活，容易引发串联和并联谐振，可靠性不高等。

(4)在变频器输入侧并联有源电力滤波器。有源滤波器对电网进行实时监测，在检测到系统谐波的同时向系统注入一组与之相反的电流来抵消谐波电流，从而抑制谐波畸变。有源滤波器可以克服上文提到的无源滤波器的缺点，被认为是解决谐波问题最有前途的解决方法之一。但是实际应用中同等容量的有源滤波器的成本远高于无源滤波器，这在很大程度上限制了有源滤波器的发展。

(5)应用双PWM变频器。常规变频器整流电路通常采用功率二极管进行不控整流，这是造成谐波污染的主要源头，因此将功率二极管改为可控元件，如IGBT后，就可以通过控制导通时间、开关顺序等抑制谐波的产生。这种方法使得变频器的成本几乎是原来的两倍，因此在实际应用中受到很大限制。

(6)采用三相功率因数校正技术。三相功率因数校正技术是正在发展中的技术，其控制方法和理论还不是很成熟，因此在实际工业生产特别是应用到大功率变频器中的例子还不多。

综上所述，现有的方法或低成本但是只能起到有限的效果，或效果显著但是成本太高，或存在一些固有的缺点会影响系统稳定性。

中国专利CN1296334公开一种由变压器1、四象限全控整流桥2、电感3、电容4、逆变功率单元5、全控整流控制器6、逆变驱动单元7、多相电机8、故障检测单元9、多相电机变频调速控制器10、上位控制机11、光纤通讯单元12、电源13及通风散热系统14连接组成多相电机及无谐波变频调速装置，其技术特点无电网污染、宽功率范围、低电压、可四象限运行、双边无谐波，实现了多相变频电气传动。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有技术的不足，提供一种低成本的无谐波变频调速装置。

本发明设有变频器和谐波补偿电路，所述变频器设有整流电路、滤波电路和逆变电路，所述整流电路、滤波电路和逆变电路依次串联，逆变电路的输出端接电机；所述谐波补偿装置设有进线电抗器、无源电力滤波器、有源电力滤波器、直流侧电容、电网电流传感器、负载电流传感器、补偿电流传感器和电网电压传感器，所述进线电抗器串联在变频器的电源输入侧，无源电力滤波器与变频器并联接到电网中并安装在进线电抗器的前端，无源滤波器的后端与有源滤波器串联，有源滤波器的后端与直流侧电容串联，电网电流传感器、负载电流传感器、补偿电流传感器和电网电压传感器串联。

变频器和谐波补偿装置共用控制系统和人机接口。

所述无源电力滤波器可采用单调谐滤波器或C型滤波器等，也可采用多组滤波器并联。

所述有源电力滤波器可采用三桥臂逆变器。

所述电网电流传感器、负载电流传感器、补偿电流传感器和电网电压传感器均可采用霍尔式传感器。

本发明的优点和有益效果是：

1)谐波补偿装置和变频器整合在一起，实时检测变频器运行过程中产生的谐波电流，继而产生一个与谐波电流大小相等方向相反的电流对其进行补偿，这样从交流进线端来看，整套变频调速装置无谐波污染；

2)谐波补偿装置由无源电力滤波器和有源滤波器串联后并连接入电网，且由无源滤波器直接和电网相连，因此无源滤波器可以吸收电网基波压降，并进行有针对性的谐波补偿，因此只需较小容量的有源滤波器就可以对较大容量谐波负载进行补偿，故整套系统具有低成本的特点；

3)本发明是一种低成本的无谐波变频调速方案。

附图说明

图1为现有的变频器的电路组成示意图。

图2为本发明实施例的结构组成示意图。

具体实施方式

参见图2，本发明实施例设有变频器和谐波补偿电路，所述变频器设有整流电路1、滤波电路2和逆变电路3，所述整流电路1、滤波电路2和逆变电路3依次串联，逆变电路3的输出端接电机M；所述谐波补偿装置设有进线电抗器5、无源电力滤波器6、有源电力滤波器7、直流侧电容8、电网电流传感器9、负载电流传感器10、补偿电流传感器11和电网电压传感器12，所述进线电抗器串联在变频器的电源E输入侧，无源电力滤波器与变频器并联接到电网中并安装在进线电抗器的前端，无源滤波器的后端与有源滤波器串联，有源滤波器的后端与直流侧电容串联，电网电流传感器、负载电流传感器、补偿电流传感器和电网电压传感器串联。

变频器和谐波补偿装置共用控制系统和人机接口。

进线电抗器5串联在常规变频器电源输入侧的前面，其作用是把变频器由谐波电压源变为谐波电流源，这样才能由并联有源滤波器对其进行谐波电流补偿。进线电抗器5的容量按照预期在电抗器每相绕组上的压降来决定，在对变频器输出电压要求不严格的情况下，可选取较大的压降以增大电抗的电感值。

无源电力滤波器6在本发明中与变频器并联接到电网中，并安装在进线电抗器5的前端，起到承受基波电压、改善滤波效果和滤除开关纹波的作用。常用的无源电力滤波器有单调谐滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。变频器谐波次数固定，主要谐波为5次、7次、11次、13次，因此在本发明可以使用调谐在上述频率的单调谐滤波器、C型滤波器等，也可多组滤波器并联。

有源电力滤波器7可采用三桥臂逆变器，在本发明中，有源滤波器7串联在无源滤波器6的后端，而无源滤波器6的前端与电网并联，因此电网基波电压被无源滤波器6承受，故有源滤波器7中的开关元件可以采用低压元件；同时由于大量的谐波被无源滤波器吸收，因此有源滤波器7只需要吸收无源滤波器所没有吸收或没有完全吸收的谐波，所以只需要一个很小容量的有源电力滤波器7就可以实现对较大容量谐波源的补偿，故有源滤波器7中的开关元件只需要采用承受较小电流的元件即可。综上，有源滤波器7中的开关元件可以采用低压小电流元件，甚至可以采用MOSFET，而不用采用价格更高的IGBT，这是本发明的低成本的原因。

直流侧电容8并联于有源滤波器7的后端，用于为有源电力滤波器7提供稳定的直流电压，其电压可以通过控制系统的作用从逆变器输出侧获得，因此电容8无需单独的供电电路，这进一步的降低了系统成本。

电网电流传感器9、负载电流传感器10、补偿电流传感器11和电网电压传感器12均采用霍尔式传感器，串联在电路中进行不接触检测电流或电压，继而将检测到的信号传送至控制系统4，控制系统4根据相应的算法实现对有源电力滤波器7的控制。本发明控制系统4中采用的算法是复合控制加三角载波控制。复合控制方式是检测负载电流的控制方式和检测电源电流的控制方式的结合，相当于在闭环控制的基础上再引入了一个前馈，使得系统的补偿特性得到了改善。在引入复合控制后，需要对电源电流的采样进行校正，本发明采用一阶惯性微分环节对其进行校正。复合控制最终得到的指令输出电流信号与实际补偿电流作比较后，通过三角载波控制产生驱动脉冲控制有源电力滤波器7工作。

人机接口13用于实现操作者和本发明的变频调速装置的人际交互，一方面其具有常规变频器所具有的改变输出电压幅值和频率、对电机调速等功能，另一方面其还具有查看经过补偿的电网电流总谐波畸变、显示当前输入电压电流等常规变频器所不具有的功能。

表1显示了本发明输入侧电网电流与常规变频器输入侧电网电流的谐波含量比较，可知补偿效果明显，说明了本发明的有效性。

表1谐波含量表

	5th	7th	11th	13th	17th	19th	THD
								现有的变频器	91.66	83.55	63.54	52.22	32.97	26.05	163.99
本发明	2.84	0.39	0.31	0.63	0.51	0.54	3.53

Claims

1.一种无谐波变频调速装置，其特征在于设有变频器和谐波补偿电路，所述变频器设有整流电路、滤波电路和逆变电路，所述整流电路、滤波电路和逆变电路依次串联，逆变电路的输出端接电机；所述谐波补偿装置设有进线电抗器、无源电力滤波器、有源电力滤波器、直流侧电容、电网电流传感器、负载电流传感器、补偿电流传感器和电网电压传感器，所述进线电抗器串联在变频器的电源输入侧，无源电力滤波器与变频器并联接到电网中并安装在进线电抗器的前端，无源滤波器的后端与有源滤波器串联，有源滤波器的后端与直流侧电容串联，电网电流传感器、负载电流传感器、补偿电流传感器和电网电压传感器串联。

2.如权利要求1所述的一种无谐波变频调速装置，其特征在于变频器和谐波补偿装置共用控制系统和人机接口。

3.如权利要求1所述的一种无谐波变频调速装置，其特征在于所述无源电力滤波器采用单调谐滤波器或C型滤波器。

4.如权利要求1或3所述的一种无谐波变频调速装置，其特征在于所述无源电力滤波器采用多组滤波器并联。

5.如权利要求1所述的一种无谐波变频调速装置，其特征在于所述有源电力滤波器采用三桥臂逆变器。

6.如权利要求1所述的一种无谐波变频调速装置，其特征在于所述电网电流传感器、负载电流传感器、补偿电流传感器和电网电压传感器均采用霍尔式传感器。