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袋侯
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1 第 41 卷第 2 期应用科技 Vol.41 No 年 4 月 Appled Scence and Technology Apr do: /j.ssn x 网络出版地址 : 变频器输入电抗器及直流滤波电容器的设计孙锦 1, 方超 2, 曹亮 1. 新东北电气集团电力电容器有限公司技术部, 辽宁营口中航雷达与电子设备研究院第六研究部, 江苏无锡哈尔滨工程大学自动化学院, 黑龙江哈尔滨摘要 : 在工业生产中, 变频器的应用日益广泛为提高变频器运行的稳定性和可靠性, 需为变频器配备合适的电抗器及整流滤波电容器从电抗器和整流滤波电容器的工作原理入手, 阐述了变频调速系统中输入交流电抗器直流电抗器和整流滤波电容器的作用适用场合, 给出了它们的设计方法, 并利用 MATAB 软件仿真验证设计的实效性关键词 : 变频器 ; 输入交流电抗器 ; 直流电抗器 ; 整流滤波电容器中图分类号 :TM 文献标志码 :A 文章编号 : X(2014) Research on the desgn of nput reactor and fler capactor for frequency converter SUN Jn 1,FANG Chao 2,CAO ang 3 1. Technology Department, New Northeast Electrc Group Power Capactor Co., td., Yngkou , Chna 2. The Sxth Research Department, Radar and Avoncs Insttute of AVIC, Wux , Chna 3. College of Automaton, Harbn Engneerng Unversty, Harbn , Chna Abstract: Frequency converterss are wdely used n ndustral producton. For mprovng stablzaton and relablty of a converter n the operaton, a proper reactor and a rectfer flter capactor must be allocated to the converter. On the bass of theoretcal analyss of the workng prncples of the reactor and rectfer flter capactor, ths paper expounds the functon and applcaton of the nput reactor, reactor and rectfer flter capactor, and gves the desgn method for them. Fnally by smulaton wth MATAB, the effectveness of the desgn s proved. Keywords: frequency converter; nput reactor; reactor; flter capactor 1 随着工业自动化产业的高速发展, 变频器日益广泛地应用于电气传动领域变频调速系统中的整流电路一般为三相不可控整流电路, 其输出电压波动较大, 且含有大量谐波电压因此, 在设计变频器的主电路时, 必须在整流电路输出端添加整流滤波电容器的过电压和浪涌电流对变频器的冲击, 采取的方法是为变频器配备合适的电抗器 [1] 全面而言, 变频调速系统中可设置的电抗器有输入交流电抗器 A1 与输出交流电抗器 A2 直流电抗器 D 输入交流滤波器 F1 与输出交流滤波器 F2 零序电抗器 Z, 具体如图 1 所示 1 变频器中的输入交流电抗器在变频器的实际应用中, 为避免变频器与电网中其他设备之间的谐波干扰, 防止因误操作而产生收稿日期 : 网络出版日期 : 基金项目 : 国家海洋可再生能源专项资金项目 (GHME2010GC02). 作者简介 : 孙锦 (1974-), 男, 工程师 ; 方超 (1989-), 男, 助理工程师, 硕士. 通信作者 : 曹亮,E-mal:clang1860@126.com. 图 1 变频器中的电抗器输入交流电抗器又称电源协调电抗器, 接在交流电源与变频器之间

2 第 2 期孙锦, 等 : 变频器输入电抗器及直流滤波电容器的设计研究输入交流电抗器的工作机理及作用由于电感的特性是交流感抗大, 而直流感抗小, 且近似为零在变频调速系统中配备输入交流电抗器后, 当电流变化时, 电感线圈产生反电动势阻止其变化用 X 表示电抗器的感抗, 则有 X = ω= 2πf U = jx I 对于高频谐波电流, f 越大, 则 X 越大, 对高频谐波电流的阻碍作用就越大因此电抗器对于高频谐波电流相当于开路, 即 X 而对于工频电流部分, 电抗器仅会产生一定的压降另一方面在变频情况下, 输入电流的基波分量和电压之间的相位角 ϕ 0, 造成变频器功率因数不高的主要原因不是 ϕ 角, 而是输入电流中包含的谐波电流因为输入功率因数 cos ϕ = P / S = 3UI cos ϕ / 3UI = I cos ϕ / I 1 Σ 1 I 2 Σ = Σ I ( = 6k ± 1, k = 1, 2,3 ) 故当为变频器配备电抗器后, 系统中谐波电流含量降低, 从而提高了变频器的功率因数总结输入电抗器的主要作用有如下几方面 : 1) 能限制电网电压突变和操作过电压引起的电流冲击, 有效地保护变频器 ; 2) 抑制来自电网电源的干扰, 减少功率切换和三相不平衡电压对变频器的影响 ; 3) 减少变频器整流单元产生的谐波对电网的污染, 能大幅度削减次谐波 [2] ; 4) 改善变频器的功率因数 ; 5) 改善变频器输入波形, 提高整流器和滤波电容的寿命所以在合适的变频器应用场合, 安装输入交流电抗器是十分必要的 1.2 需要安装输入交流电抗器的场合根据生产实际经验, 为保证变频器的可靠运行, 在下列场合一定要安装输入交流电抗器 1) 供电电源的变压器容量为 600 kva 及以上但变频器的容量小于 60 kva 时, 或变频器的容量大于 60 kva, 而供电电源的变压器容量大于变频器容量的 10 倍时, 变频器安装位置离大电容电源在 10 m 以内 [3], 如图 2 所示 2) 其他晶闸管变流器与变频器共用同一进线电源, 或进线电源端接有通过开关切换以调整功率因数的电容器装置 3) 三相电源电压不平衡率大于 3% 电源电压 Σ 不平衡率 K 按下式计算 : 最大一相电压 - 最小一相电压 K = 100% 三相平均电压 4) 需要改善变频器输入侧的功率因数 ( 可以提高到 0.75~0.85) 图 2 需要安装输入交流电抗器的场合 1.3 输入交流电抗器的参数选择输入电抗器压降的选择输入电抗器的容量一般按预期在电抗器每相绕组上的压降来决定而选择压降为网侧相电压的 2%~4%, 交流输入电抗器压降不宜取得过大, 压降过大会影响电机转矩 [4] 一般情况下选取进线电压的 4%(8.8 V) 已足够, 在较大容量的变频器中如 75 kw 以上可选用 10 V 压降输入电抗器额定电流的选取单相变频器配置的输入电抗器的额定电流 I 可取变频器的额定电流 I N, 而三相变频器配置的输入电抗器的额定电流 I 一般取变频器的额定电流 I N 的 1.1~1.4 倍输入电抗器的容量选取电抗器的容量 : Q =Δ UI(var) 式中 : Δ U 为电抗器压降,V; I 为电抗器额定电流,A 输入电抗器的电感量的选取用 X 表示电抗器的感抗, 则有 U = jxi n = j2πfi n 不考虑电压与电流间的相位问题, 则电感量的选取可按下式计算 : =Δ U /(2π fin) = (0.02 ~ 0.04) UVΦ / (2π fin) 设计中还需考虑电源内部阻抗, 电源变压器功率大于 10 倍变频器功率, 而且线路很短的场合, 电源内阻小, 不仅需要使用输入交流电抗器, 而且要选择较大的电感值, 例如选用 4%~5% 压降的电感量 2 变频调速系统中的直流电抗器直流电抗器也叫平波电抗器, 串联在变频器直流母线的滤波电容器之前, 主要用于减少输入电流

3 18 应用科技第 41 卷的高次谐波成分, 提高输入电源的功率因数 ( 最高可提高到 0.95), 同时能限制逆变侧短路电流, 使逆变系统运行更稳定, 而且还可与交流电抗器同时使用, 但在变频器功率大于 30 kw 时才考虑配备 [5] 直流电抗器的电感量一般选为变频器输入交流电抗器电感量的 2~3 倍, 最少要 1.7 倍, 即 = (2 ~ 3) 3 整流滤波电路中的电容器影响输出特性另一重要因数, 就是直流滤波电路中电容器的设计选值对于三相不可控整流电路, 在一个电源周期 TS 中, v D 由 6 个相同的脉冲组成 ( m = 6), 每个脉宽 60 (π 3, T S 6), 其直流平均值 V D 为 V = 2.34V = 1.35V D 式中 : V 1 为线电压有效值, V S 为相电压有效值由于整流输出谐波电压的频率不高, 要得到较好滤波效果, 必须使 C 很大滤波电感的质量体积相对于电容要大得多, 因此通常选取较小的电感和较大的电容 C 组成 C 滤波器, 甚至完全不用电感只用电容滤波 [6] S (a) 电路 1 对于三相不可控整流电路, 整流器输出电压的最大值为 U = 2U, 其中 U 为整流器输入线电压的有效值若定义直流母线电压的脉动率为 ΔU a% = 100% U 其值一般可取 5% 左右, 则 Umn = U ( 1 a% ) 对于恒功率负载整流器的输出波形如图 3 所示, t 0 ~ t 3 为输出电压的一个脉动周期, 也是整流器输入电压的 1/6 周期 t0 ~ t 1阶段负载由电网单独供电, 电容电压随着电网电压的上升而上升, 电容储存能量 ; t 1 ~ t 2 阶段电网电容同时向负载供电, 电容电压随着电网电压的下降而下降 ; t 2 ~ t 3 阶段负载全部由电容供电, 电容电压指数下降, 但电容电压高于电网电压, 在 t 3 时刻电容电压降到谷底电压 U mn, 进入下一脉动周期 [8] 为计算方便, 忽略 t1 ~ t 2 阶段电网向负载输出的功率, 并取 t0 ~ t 1阶段为输出电压的 1/2 脉动周期故可根据能量守恒定律, 电网电压的 112 周期输出的能量 Po 12 f 等于电容从谷底电压 U mn 充电到电压峰值 U 储存的能量, 即 P 1 o ( 2 2 CU ) Umn 12 f = 2 式中 : f 为电源频率, P o 为整流器输出功率则可根据最小直流母线电压波动要求的最小直流母线电容确定计算如下式 : C P mn = o 2 2 ( mn ) 6 U U f 4 实例设计 (b) 波形图 3 电容滤波器三相不可控整流电路及波形图 3 是典型三相电压型整流电路, 为使输出直流电压更加稳定, 理论上取滤波电容值越大越好 ; 但实际上, 电容值越大, 电容器的体积越大, 整流器成本也越高, 并且在电路开通瞬间, 电容充电电流会很大, 给电路中的其他元器件造成危害所以应选取达到设计要求的电容值尽可能低的电容器 [7] 假设变频器的输出功率为 75 kw, 输出效率 η 为 0.9, 功率因数 cosϕ 为 0.85, 电源为 380 V/50 Hz 变频器输入有功功率为 P = P η = kw o 变频器输入电流为 p I = = =148.95A 3U cosϕ 输入电抗器的额定电流 I 取为 I = 1.1I = = A 交流输入电抗器的电感量取为

第 2 期孙锦, 等 : 变频器输入电抗器及直流滤波电容器的设计研究 19 则取 ΔU (0.02 ~ 0.04) UVΦ = = = 2πfI 2πfI (4.4 ~ 8.8) = (85.48 ~ 170.

66) μh 则取直流电抗器 = 320 μh 三相不可控整流桥整流后输出电压平均值为 UO(AV) = 1.

4V 整流器输出的最小电压为 U mn ( ) = U 1 5% = 510.53V 故直流滤波电路中电容 C 的最小值为 (a) 输出电压波形 C P mn 2 2 5 软件仿真 = = 10 006.

158 Ω, 对于仅有滤波电容 ( C = 10 500 μf ) 滤波电容加交流输入电感 ( = 128.

4 第 2 期孙锦, 等 : 变频器输入电抗器及直流滤波电容器的设计研究 19 则取 ΔU (0.02 ~ 0.04) UVΦ = = = 2πfI 2πfI (4.4 ~ 8.8) = (85.48 ~ ) μh 2π 按相电压的 3% 选取交流输入电抗器的压降, = μh 直流电抗器电感量取为 = (2 ~ 3) = ( ~ ) μh 则取直流电抗器 = 320 μh 三相不可控整流桥整流后输出电压平均值为 UO(AV) = 1.35U = 513 V 输出等效额定电阻值 R 为 (b) 局部放大图 4 3 种电路的变频器输入电流波形 2 UO(AV) R = = Ω P 整流器输出电压的最大值为 U = 2U = 537.4V 整流器输出的最小电压为 U mn ( ) = U 1 5% = V 故直流滤波电路中电容 C 的最小值为 (a) 输出电压波形 C P mn 软件仿真 = = μf 6 U U f ( mn ) 在 MATAB/Smulnk 下进行建模和仿真实验, 以 75 kw 的变频器为例进行仿真研究电源为 380 V/50 Hz, 等效额定负载电阻为 Ω, 对于仅有滤波电容 ( C = μf ) 滤波电容加交流输入电感 ( = μh ) 滤波电容加交流输入电感加直流电感 ( = 320 μh ) 的 3 种电路进行仿真, 仿真效果对比如图 4 5 所示 (b) 局部放大图 5 3 种电路的输出电压波形由图 6 可看出输入交流电抗器可大幅改善电路中的谐波含量, 降低电路开通时浪涌电流和过电压的冲击, 故添加输入交流电抗器时十分必要的而直流电抗器也能一定程度的改善谐波含量和过压过流对系统的冲击, 降低直流电压的波动, 其中 THD 为总谐波失真 (a) 输入电流波形 (a) 仅有滤波电容

5 20 应用科技第 41 卷 (b) 滤波电容加交流输入电抗器图 9 输出直流电压和 THD 随直流电感值变化 6 结论 (c) 滤波电容交流输入电抗器加直流电抗器图 6 3 种电路的输入电流傅里叶分析为选取最佳滤波电容值输入交流电抗值直流电抗值, 进行大量的仿真分析和计算, 仿真结果如图 7 所示根据设计参数进行软件仿真, 得出以下结论 : 1) 在变频调速系统的主电路设计过程中, 整流滤波电容器对于二极管整流电路是不可或缺的, 但它在降低直流电压波动的同时也带来了大量的谐波, 并使系统开通时, 产生浪涌电流和过电压 2) 电抗器属于变频器外接附件输入交流电抗器的引入能大幅改善变频调速系统中的谐波含量, 降低系统中的过电压和浪涌电流对系统的冲击, 但在交流电路中, 它会产生一定的压降, 使输出电压降低 3) 直流电抗器对系统也有一定的改善作用, 但不如输入交流电抗器明显参考文献 : 图 7 输出电压峰峰值和 THD 随电容值变化由图 8 9 可以看出变频器输入电流 THD 随着滤波电容的增大而增大, 但随着输入交流电抗器和直流电抗器的增大而减小 ; 直流电压的波动随着电抗器和滤波电容的增大而变小, 但直流电压会随输入交流电抗器的增大而减小图 8 输出直流电压和 THD 随输入交流电感变化 [1]ESCOBAR G, STANKOVIC A M. Analyss and desgn of drect power control for a three phase synchronous rectfer va output[j]. IEEE Transactons on Power Electroncs, 2003, 18(3): [2]SAKUI M, FUJITA H. An analytcal method for calculatng harmonc currents of a three-phase dode-brdge rectfer wth flter[j]. IEEE Transactons on Power Electroncs, 1994, 6(9): [3] 张燕宾. 实用变频调速技术培训教程 [M]. 北京 : 机械工业出版社, 2003: [4] 满永奎. 通用变频器及其应用 [M]. 北京 : 机械工业出版社, 1995: [5] 周志敏, 周纪海, 纪海华. 变频调速系统工程设计与调试 [M]. 北京 : 人民邮电出版社, 2009: [6] 陈红晓. 变频器大容量滤波电容器的研制 [D]. 成都 : 电子科技大学, 2010: [7] 李庆霖, 李劲涛, 刘佩玲. 电抗器在变频器系统中的应用 [J]. 电源技术应用, 2002, 5(4): [8] 白华, 赵争鸣. 三电平高压大容量变频调速系统中的预励磁方案 [J]. 电工技术学报, 2007, 22(11): [9] 郑胜敏, 吴森. 电动汽车交流调速电机变频器滤波电容器研究 [C]// 中国内燃机学会第七届学术年会. 成都 : 2007: [10] 郑丹, 张飞然, 沈志达, 等. 改进的变频器输出正弦波滤波器 [J]. 计算机工程与设计, 2010, 31(19): [ 责任编辑 : 刘畅 ]

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