矿用隔爆型中压变频器谐波分析

【摘要】通过对几种中压变频器主电路进行分析，阐明了各种整流结构产生谐波原理，并对几种常用的中压变频器谐波进行了比较。

【关键词】中压变频器;谐波;单元串联;脉波整流

近年来，随着控制技术的发展和大功率电力电子器件的成熟，矿用变频器在煤矿井下得到了广泛的应用;然而，目前通用的隔爆型中压变频器均采用交-直-交结构，输入侧的整流器件和输出侧的逆变器均是非线性的且工作在开关状态，这些器件产生的谐波对电网、电机及周围设备的影响已成为变频器应用中的突出问题。本文仅对3.3kV变频器的谐波进行分析，目前3.3kV变频器输入结构有6脉波整流、12脉波整流及单元串联三种结构。

为了简化分析，假定电源变压器为理想变压器，忽略阻抗和漏抗，即交流侧电抗为零;整流二极管为理想二极管，忽略开关时间和换相过程;直流电感为无穷大，直流电流为恒定值。

1.6脉波整流电路谐波分析

6脉波整流式变频器原理如图1所示，三相桥式不可控整流将外部输入50HZ的工频电源变成直流，经滤波电容滤波及大功率IGBT开关元件逆变为频率可调的交流信号。

根据假设条件，则输入电压、电流及直流电压图如图2所示。

从图2可以看出，输入电流不是正弦波，而是周期性变化的方波，根据傅里叶级数原理，任何周期性变化的都可以分解成基波和各次谐波，则交流侧电流傅里叶级数展开为：

（1）

根据（1）式可得如下结论：输入电流中含有6m±1（m=1，2，…）次谐波，即5、7、11…等各次谐波，且谐波与基波有效值的比为谐波次数的倒数，谐波有效值的大小与谐波次数成反比，理论计算各谐波的成份如表1所示。

仿真测试的6脉波整流电路电源侧电流、电压波形如图3所示，电流波形严重变形。

实测6脉波整流电路各次谐波含量如表2所示，与表1对比，5次、7次谐波偏差较大，主要是因为表1为理想状态，忽略了很多因数，如直流侧电流脉动、交流侧电抗等。

从表1、2可得，6脉波整流电路中谐波含量最大为5次、7次谐波。

2.12脉波整流电路谐波分析

12脉波整流器原理如图4所示，它是由2组6脉波整流后在直流侧串联形成，两路输入电源由一台三绕组变压器供电，变压器的接线方式为Y/dy，二次侧两组相位差30o，就每一组整流桥来说，输出的波形与图2相同，Ⅰ组与Ⅱ组相位差30o。

Ⅰ组整流桥输入侧电流的傅里叶级数展开为：

（2）

Ⅱ组整流桥输入侧电流的傅里叶级数展开为：

（3）

由式（2）、（3）可见，两个整流桥产生的5、7、…次谐波合成后相互抵消，电源侧只有12m±1（m=1，2，…）次谐波，即11、13、23、25…等谐波，电源侧的合成电流为：

（4）

理论计算各谐波的成份如表3所示。

从表3可以看出12脉波整流主要是11、13次谐波。

仿真测试的12脉波整流电路电源侧电流、电压波形如图5所示，电流波形有一定的变变形，但比6脉波整流要好很多。

实测12脉波整流电路电源侧电流波形如图6所示，数据如表4所示。

从表4可以看出12脉波整流电路各次谐波与计算值基本相同。与6脉波整流相比谐波大幅减少，已有很大的改善。

3.单元串联谐波分析

单元串联式中压变频器原理见图7，输入电源接到移相变压器的一次侧，二次侧分为9组，电气上相互绝缘，采用延边三角形接法，每一组输出对应一个功率单元，变频器输出由相邻单元串联叠加后获得。移相变压器的作用一是将输入电压降压，二是多重化处理，利用延边三角形移相技术，使二次侧各绕组存在一定的相位差，增加输出波头，减小谐波分量。二次侧各绕组的相位角如表5所示。

由图7可得，每个功率单元的整流部分与6脉波整流相同，所以功率单元输入侧电流的傅里叶级数展开式也相同，只是相位角不同，即有：

（5）

对应变压器一次侧电流的傅里叶级数展开式为：（n为变压器变比）

（6）

变压器各组电流的相位如表6所示。

按式（6）可将iA2和iA3列出，一次侧合成电流iA=iA1+iA2+iA3。从表6可以看出，k=0时，变压器一次侧中，各绕组的基波电流相位相同，故基波电流相叠加，不能抵消。同理k=3时，17次、19次谐波相位相同，不相抵消。k=1时，绕组1与绕组3中的5次、7次谐波电流分量相位相反，相互抵消;同理k=2时，11次、13次谐波相互抵消，幅值为0，电流分量中最低次谐波为17次。因此，电源一次侧基波电流的有效值为：（N为二次绕组数，本例中取3）。

（7）

各次谐波电流为：

（8）

理论计算各谐波的成份如表7所示。

变压器一次侧电流仿真波形如图8所示，可以看出，电源侧电流波形中虽然有很多毛刺（变形），但总体上还是正弦波的形状，可见谐波已非常小了。

实测各谐波的成份如表8所示。

表8 实测各谐波的成份

谐波次数 5 7 11 13 17 19 23 25

18脉波谐波含量 0.3% 0.7% 1% 1.1% 6.4% 4.3% 3% 2%

实测值中，虽有5、7、11、13等次谐波，但含量很小，与GB14549标准允许值相比可以忽略不计，其它次谐波也低于国标的要求，可见不会对电网及周围设备造成不良影响。

实测的电源侧电压、电流波形如图9所示。

实测波形与仿真基本一致。

4.总结

根据上述分析不难看出，变频器整流电路越简单，脉波数越少，谐波含量就越多，对电网及周围用电设备的干扰越严重;加之煤矿井下巷道狭窄，电缆较长，中压变频器容量偏大，越发加重对周围设备和电网的干扰。对于煤矿井下3.3KV的变频器而言，其应用越来越多，一般容量均较大。为了减少谐波的影响，笔者建议最好选用单元串联叠加、多重化处理的变频器，不仅降低了谐波对网侧的影响，而且其输出也是多电平输出，其谐波较小，无需采用滤波装置可直接驱动负载，从而也可减少配置成本。对于6脉波和12脉波的变频器的选用，应计算其注入母线的谐波电流含量，若超过标准规定，应配套谐波抑制和功率补偿装置。

本文的分析具有通用性，用户在选择大容量中压变频器时可供参考。

参考文献

[1]黄铮，张奕黄，杨岳峰.级联式多电平高压电动机变频器的谐波改善分析[J].电气应用，2008，27（14）.

[2]温顺理.6脉冲与12脉冲可控硅整流器原理与区别[J].电源世界，2007（2）.

[3]孙振东.单元串联多电平高压变频器的谐波分析[J].科技信息，2011（13）.

[4]李兴宁，王书杰，陈震.单元串联多电平高压大功率变频器研究[J].大功率变流技术，2010（3）.

[5]吕润馀，段晓波.多脉动整流电路谐波统一分析[J].河北电力技术，2003（5）.