变频器的谐波治理和电机保护

在技术领域划分上，电磁兼 容包含了电能质量
PQ问题 电网电压 畸变 EMC问题
畸变电压
变频器工作
电动机工 作异常
空间电磁辐射
传导干扰电流
电磁兼容、电能质量问题日益突出
国家政策 节能降耗 电子信息化 制造自动化 智能电网 影响 变频器大量应用，电力谐波污染、电 磁干扰、电机损伤 无处不见的电子信息设备，对电能质 量和电磁环境提出了更高的要求 对制造系统的可靠性要求更高，对电 能质量提出了更高的要求 为了保证电网的可靠运行，更加关注 电能质量
案例三
2009年11月，北京青塔小区，供热站，对燃烧炉 的鼓风机进行了变频器节能改造。虽然节能效果显 著，但是无功补偿电容的保险频繁烧断
无功补 偿柜
250kW 变频器
110kW 变频器
工频 电机
案例三的方案
因工程预算限制，功率较大的变频器安装了HTHF滤波 器，功率较小的安装了电抗器，故障现象消失
航天科工集团的民品
航天科工集团：以强大的综合技术为依托， 结合国家的产业政策，将智能电网作为集团 的重点民品领域之一。 706所：发挥20多年来在电磁兼容和电能质 量领域的技术优势，重点提供电能质量相关 的产品，电磁干扰控制相关的产品。
什么是电磁兼容
电磁兼容有两个含义： 第一：电气电子设备在预定的电磁环境中能够正常工 作；
变频器成为发展最快的市场之一
变频器：用于对电机的转速和功率进行调整，达到 调整电机转速、节能的目的。 目前，更广泛应用在节能的场合。
变频器带来的问题
向电网发射 谐波电流射频电流 电缆辐射电 磁波干扰
电机噪声大，温度 高，烧毁电机定子， 损伤电机轴承
变频器导致的现象
1. 谐波电流的危害：无功补偿装置损坏，变压器温度 过高，跳闸，对其他电子设备干扰、降低电能质量 （电压畸变率超标） 2. 射频电流的发射：干扰共用电网的其他电子设备 3. 电磁波辐射发射：干扰邻近的其他电子设备 4. 对电机定子的损伤：电机的定子绕组的烧毁 5. 对电机轴承的损伤：电机寿命缩短
HTHF谐波滤波器
谐波电流与有源滤波器相当 谐波电流优于18脉整流电路 可靠性高 使用方便 对电网系统无不良影响 不吸收上游谐波电流 容性无功小
HTHF滤波器的开发历程
• 2006年，第一次接到治理变频器谐波电流的需求，要求 THID<20%，安装了并联陷波器电路，效果差，噪声大。 • 2007年，建立了变频器谐波滤波器的设计理论 • 2008年5月，完成了第一台样机（见测试报告） • 2009年，为ABB系列变频器设计全系列滤波器 • 2010年，为ABB配套300余台，为日立变频器配套60余台 • 2011年，在总结前面使用的情况基础上，进行了电路、结构 的改进，产品性能更加稳定，性价比更高（根据内部评估， 认为达到了国际领先水平）
变频器谐波的治理与电动机的 保护
中国航天科工集团第二研究院706所 北京市海淀区永定路51号 电力工程师 朱豪杰 邮箱：hj.zhu@ht-gp.com
航天科工集团二院706所
中国航天科工集团：原来的航天工业部，中 央直属大型企业，具有很强的综合实力 （2010年央企第13位）。 第二研究院：空天防御研究院，防空反导系 统研发，在电子、控制、信息技术方面综合 实力很强。 706所：国家1957年成立的信息技术研究 所，负责武器系统的信息系统研发
harmonic
关于谐波的标准
针对设备的谐波电流发射限制标准： GB/Z17625 (IEC TR 61000-3-4)：
针对电网的谐波电流限制标准： GB14549、IEEE519，等
变频器谐波滤波器的要求
变频器谐波滤波器要满足： 1. 滤波效果确定：要承诺变频器安装滤波器后达到的谐波 电流发射程度，例如：THID < 8%； 2. 不吸收上游谐波电流：传动系统会安装在电网的任何位 置，不能因为上游有其它谐波源，而使滤波器过载； 3. 不对系统产生不良影响：在任何电网中使用时，不能与 电网系统发生谐振，或产生其他不良影响 4. 不发出过度的容性无功功率：变频器的主要问题是谐波 电流，而不是cosϕ低，滤波器发出太大的容性无功， 会损害电网，特别是柴油发电机的场合。
所配备变频器的电压、功率
开放式结构，还是独立机柜式结构
HTHF的使用方法
案例一
2008年，深圳某“普传” 变频器经销商报告： 港口由于大量使用变频器，造成频繁跳闸。经 过实验，安装10%的电抗器能够明显改善故障 情况，但是变频器频繁停机。 推举安装HTHF滤波器后，故障现象消失。
案例二
2008年，苏州汉风科技为华纺纺织公司配节能 柜，甲方提出要求：节能柜的THID < 20%。 当地某公司在为节能柜配装了传统的陷波器滤波 器，不能满足要求，并发现滤波器发热严重、噪声 大，伴有严重震动。 推荐安装HTHF后完全满足要求（见测试报告）

同一系统中，变频器工作时，电动机定子绕组较短时 间内损坏或者电机轴承在使用一段时间摩擦力变大 （这就说明了变频器与电动机的不兼容）
什么是电能质量
电能质量就是电压偏离标准正弦波的程度：
V = V0sinωt
谐波畸变
电压骤降
瞬态脉冲（浪涌）
电磁兼容与电能质量的关系
EMC PQ
产生谐波电流 通过导线在电 网内传播
一、 HTHF谐波滤波器
变频器理想的配套谐波滤波器 确保满足各种标准的要求 使用方便，可靠性高，免维护
什么是谐波电流？
频率是基波频率（50Hz ）整倍数的哪些成分。谐波 成份与基波叠加起来，导致波形发生畸变。
+
5次谐波 7次谐波
=
谐波的危害
烧毁，或 不能使用 变压器 发热 误动 作 电缆 发热
706所的业务领域
1. 2. 3.
用户端的各种电能质量问题解决方案 用户端的各种电能质量控制产品 电磁兼容问题解决方案与方案实施
目标：解决90%以上的电磁兼容与电能质 量问题
706所产品的应用领域
30kV以下 的输配电
2kV以下用 户使用电
706所产品适用的范围
706所电能质量产品的型谱系列
706所的电能质量产品系列
变频器配套滤波器
消除变频器的电磁干扰隐患 降低电网风险 延长电机寿命
电机节能的重要性
发改委《节能中长期专项规划》：“电机系统节能改 造，提高运行效率，合理匹配，加快淘汰落后低效电 机，推广高效节能电机；推广变频调速节能技术，风 机、水泵、压缩机等通用机械系统采用变频调速节能 措施，工业机械采用交流电动机变频工艺调速技术； 制定相关经济激励政策和技术政策、完善电机能效标 准体系等配套措施，‘十一五’期间，实现电机系统运行 效率提高2个百分点，形成年节电能力200亿千瓦时。”
无功补 偿柜 250kW 变频器 110kW 变频器
工频 电机
案例四
2009年3月，佛山奇创公司为法国塞纳电梯公司配套 设备，包括变频器（东芝）。此批滚梯用于深圳地 铁项目，甲方提出要满足THID < 15%的要求。 推荐使用HTHF ，电梯控制柜顺利通过测试。
案例五
2010年5月，某等离子屏制造厂房建设，暖通系统使 用的变频器要满足THID<8%的要求。推荐使用 HUHF(是HTHF系列专为ABB变频器配套的型号系 列)， 实测结果，THID<7%，最好的达到THID=4.3%
变频器对电机定子绕组的损伤
现象： 变频器驱动的电机，寿命大大缩短，有些甚至一个月内发生 损坏。 电机损坏的部位：定子绕组被烧坏，常见的是头几匝损坏。
变频器对电机轴承的损伤
变频器系统的理想配置
EMFI射频干扰滤波器 HTHF谐波滤波器 EMFO共模滤波器 SWF电机卫士
这种配置下，传动系统对于电网和周围环境，与普通电机相 同，没有任何电磁干扰，并且功率因数达到0.98以上。 电机的工作状况与工频情况相同。
公共电网
配 电 变 压 器
无 功 补 偿 柜
保 护 器
变频器
干扰其他用 电设备
谐波超过供 电局限制
其他 负载
谐波电流的表示方法
总谐波成份 总谐波畸变率(THID) = 基波成份
100
.
%
80 60 40 20 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
% Fund.
频谱的表示方法
长电缆效应 — 过冲尖峰电压
电缆长度超过30米时，会在 电机端产生尖峰电压。
减小尖峰电压的思路
减小电缆长度虽然能够减小尖峰电压，但是 并不实用。实际中，采用的方法包括： 1. 将PWM电压波形变换成正弦波波形 2. 延长PWM脉冲电压的上升沿 3. 在电机驱动电缆的电机侧安装尖峰吸收器
在变频器的输出端安装电抗器，能够起到一定作用，但是不 是妥善的方法。
案例二的测试报告 无滤波
案例二的测试报告 滤波后
电流减小 约20%
HTHF滤波器的原理
提高源端阻抗 产生感性无功 阻挡谐波电流
阻挡谐波电流
旁路高次谐波
构成一个阻挡谐波、吸收谐波，并且不会发出无功的系统
HTHF滤波器的使用方法
串联安装
按照变频器的功率直接选型 即连即用，不需要现场调试
HTHF谐波滤波器的效果
消除尖峰电压的理想方法
将PWM电压波形变换成正弦波电压波形，从根本 上解决了尖峰电压的问题。电缆的长度没有限制。
缺点：滤波器的体积较大，价格较高
正弦波滤波器
用du/dt滤波器减小尖峰电压
延长脉冲的上升沿，破坏产生尖峰电压的条件。 这种滤波器称为：du/dt滤波器
dv/dt滤波器
由电感、电容、电阻 组成的低通滤波器
雷电导致变频器损坏（与电磁环境不兼容） 在电网谐波较大的电磁环境中，仪表数据显示误差较
大，PLC 非正常断电导致数据丢失，电缆、变压器异 常发热导致寿命缩短（这都是此类设备在此谐波较大的 电网环境中不能够正常工作）
什么是电磁兼容
第二：系统中的各种电气电子设备能够同时正常运行， 相互之间没有不良影响的状态。 中频炉工作时，干扰了邻近的自动控制设备（设备之 间不兼容）
Fra Baidu bibliotek
变频器谐波电流的措施
THID 电抗器 12脉整流电路 18脉整流电路 有源滤波器 HTHF < 35% <12% <8% <5% <5% 优点 价格低、体积小 价格适中 效果好 滤波效果好 滤波效果好 可靠性高 效率高 价格适中 缺点 达不到标准的要求 对电网平衡度要求 高，体积较大，效 率低 价格高，可靠性低 体积、重量较大
du/dt滤波器的使用方法
串联安装在变频器的输出端， 电缆的长度小于300米 时，不会出现损伤电机的尖峰电压
du/dt滤波器的效果
没有滤波器
有滤波器
吸收尖峰电压
在电机端安装尖峰电压吸收器，减小尖峰电压的 幅度
尖峰吸收器的效果
将尖峰电压变换成热 能，耗散到空间
不同的电机保护方法比较
正弦波滤波器：效果最好，电缆的长度没有限制， 体积大，价格高 du/dt滤波器：效果较好，电缆长度小于300米，体 积较大，价格较高 尖峰电压吸收器：效果较好，电缆长度小于300 米，体积小，价格低，特别是当电机功率较大时， 体积和价格的优势大，但是只能安装在电机端
变频器对电机轴承的损伤
变频器对电机轴承损伤的原因

这是因为变频器驱动电机的PWM电压中包含了丰富 的高频成份，高频电流能够通过轴承中的杂散电容流 过轴承，形成轴承电流，对轴承造成损坏。轴承电流 的峰值电流会达到5 - 10A。轴承旋转时，转轴与轴 瓦断续的接触，会产生电弧。这些电弧对轴承造成损 伤，在轴承形成小坑，由于表面光洁度降低，轴承的 旋转阻力增加，寿命缩短。 轴承电流的大小与电机的结构、电机的功率、驱动电 压的幅度、脉冲上升时间、电缆长度等因素有关。电 机的功率越大、驱动电压越高、驱动电压的上升沿越 陡、电缆越短，则轴承电流越大。
工业场合
解决工业现场各 种电磁兼容和电 能质量问题
商业场合
解决商业环境现 中各种电磁兼容 和电能质量问题
变频器配套
解决变频器相关的 各种电磁兼容和电 能质量问题
706所提供的产品与服务
1. 产品资料上列出的各种产品 2. 工业现场的电磁兼容故障的诊断，提出整改 方案 3. 协助系统设计师，进行电磁兼容与电能质量 保证性的设计，确保系统不会出现电磁兼容 与电能质量问题
二、DVF滤波器
变频器对电机定子绕组的损伤
现象： 变频器驱动的电机，寿命大大缩短，有些甚至一个月内发生 损坏。 电机损坏的部位：定子绕组被烧坏，常见的是头几匝损坏。
过冲电压产生的根本原因
45.0 ESC
O
基本原因：入射波与反射波叠加，形成“ 驻波” 附加条件：脉冲的上升沿时间小于它在电缆上的传输的时间
电流
T T
电压
T T T T
1) Ch 1: 2) Ch 2:
50 Volt 2 ms 200 A 2 ms
1) Ch 1: 2) Ch 2:
200 Volt 2 ms 500 A 2 ms
没有谐波滤波器时的波形
安装谐波滤波器后的波形
HTHF滤波器的选型方法
要治理变频器的谐波电流发射
了解对谐波电流限制的要求THID <5% <8% <12%