曼． ： 曼 机械与自动化 Ｊｏｕｒｎａ１ ０ｆ Ｈｅｎａｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ￣ｌｖ 关于单元串联多电平ＰＷＭ电压源型变频器谐波抑制的探讨 郑志敏 （汕头万丰热电有限公司，广东 汕头摘所采取的技术方法进行介绍。 ５１５０４１） 要：介绍ＰＷＭ电压源型变频器产生谐波的机理，对在谐波抑制方面比较有代表性的单元串联多电平ＰＷＭ电压源型变频器 关键词：单元串联；ＰＷＭ电压源型；变频器；谐波 中图分类号：ＴＮ７７３文献标识码：Ａ文章编号：１００３—５１６８（２０１３）０９—００６３—０２ 一引言 随着变频调速技术的日益成熟，变频器调速节能技术在火 力发电厂得到广泛应用，实现无冲击软启动，并能根据生产实际 要求进行凋速控制，使厂用电率明显下降，节约大量能源，取得明 显经济效益。但是，变频器在运行中产生的谐波给（电源侧）电 厂的配电系统造成一定的谐波污染，其输出电流的谐波信号会 使电机产生附加发热，转矩脉动和噪声污染，因此，有必要对变 频器输入侧和输出侧采取一定的技术手段加以抑制，本文将着 重对单元串联多电平ＰＷＭ电压源型变频器输入侧和输出侧谐 波抑制所采取的技术方法进行介绍。 二变频器谐波的产生机理 单元串联多电平（ＰＷＭ）电压源型变频器采用若干个低压 （ＰＷＭ）变频功率单元串联起来，功率单元的主电路为交一直一交 ＰＷＭ电压源型主电路结构，其输入侧接于整流变压器的低压侧 ６４０Ｖ／５０Ｈｚ工频电源，经三相桥式不可控整流电路整流成直流电 压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率 可调的交流信号。如图（１）所示。 雕 》 １）输入侧产生谐波的机理 变频功率单元的输入侧是桥式不可控整流电路，必将产生 因其非线性而引起的谐波，在三相桥式整流电路中，输入电流波形 为矩形波，波形按傅里叶级数分解为基波和各次谐波，通常含有 ６ｎ＿＋ｌ（ｎ＝ｌ，２，３…．）次谐波，其中高次谐波将干扰电源侧供电系统。 ２）输出侧产生谐波的机理 在低压ＰＷＭ电压源型功率单元的ＩＧＢＴ逆变回路，输出电 压和电流都含有谐波，其中谐波频率的高低与变频器的调制频 率有关，从输出的电压方波和电流正弦锯齿波中，用傅里叶级数 不难分析出各次谐波的含量，因此，输出回路电流信号可分解为 只含基波和各次谐波，其表达式如下： ＝竽 … ，＋扣 … ＝竽 ＋竽 哆 ｎ删 觑ｓ ，十∑（一 ／ｓｉｎ脚， 酣 －－ ‘ ｌ ＝ 怫 ＝６ 虬蔗：＝ｌ ２，３ … 由此可见，变频器输出电压或者电流不仅包含基波，而且还 包含高次谐波，各次谐波有效值与谐波次数的关系为反比，并且 其与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。 三变频器的谐波抑制 变频器产生的谐波可分为输入侧谐波和输出侧谐波，输入 侧谐波实质上是指整流回路产生的谐波，其中高次谐波将沿电 源电缆流入供电系统；而输出侧谐波是指逆变回路输出电压和 电流中所含的谐波成分，谐波电流会使电机产生附加发热，转子 转矩脉动，谐波噪音污染，因此，抑制输入和输出谐波显得十分 重要。下面将从输入输出两侧介绍功率单元串联多电平ＰＷＭ 电压源型变频器在谐波抑制方面采取的技术方法。 一）输入侧谐波抑制 １）原理 为解决输入侧谐波流入供电系统，在工程应用中设计了干 式移相整流变压器，该变压器为中高压变频器提供多路整流电 源，其副边采用延边三角移相原理，通过多个不同移相角的二次 绕组叠绕，可组成有效相数为９相，１２相，１８相以及２７相等多个 绕组。 ２）移相角的计算 变压器二次侧有多个三相绕组，它们按０。，０。…（６０—０）。组成 各三相绕组的移相位角，当每相有ｎ个Ｈ桥单元串联使，Ｏ角设计 上按０＝６０。／ｎ计算。如每相有六个单元串联拓扑结构，￣０：６０。／ ６：１０。，Ａ相各单元输入侧的移相角如下表： ‘ 功率单元 Ａ１ Ａ２ Ａ３ Ａ４ Ａ５ Ａ６ 移相角 －２５。 一１５。 －５。 ５。 ｌ５。 ２５。 同理可求得Ｂ，Ｃ相中的Ｂ１，Ｂ２…Ｂ６和ｃ１，ｃ２…ｃ６的移相角， 这里需要指出的是每个单元三相输入的移相角是相等的，即 Ａ２一Ａｌ＝Ｂ２一Ｂ１＝Ｃ２一Ｃ１＝…＝Ｃ６一Ｃ５＝１０。 二）输出侧谐波抑制 １）原理 由于每个功率单元输出电压为１．０．一１三种状态电平，若 每相按六个单元串联则输出相电压有１３种不同的电平等级， 且每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，ｄｖ／ｄｔ很小，在 各单元ＩＧＢＴ回路晶闸管开关导通控制角ａｊ设置相同情况下， 同相各单元输出电平依次相差一定相位角，由于逆变器输出 采用多电平移相ＰＷＭ技术，将不同相位的电平相叠加使输出 电压的谐波信号相互抵消，输出相电压波形非常接近正弦 波，如图（２） ２０１３．ＮＯ．０５ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｓｃｉｏｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎ 机械与自动化 ２）单元串联等效频率抑制输出谐波 器谶 １００％髓黔 ｌ ０％ 由于逆变回路开关频率会直接影响输出电压的谐波特性， 当１３个功率单元串联时整个变频器的等效频率是ｎ倍单元频率， 对一个每相６单元串联多电平ＰＷＭ电压源型变频器来说，单元 氇 开关频率设计上一般取６２０～７００Ｈｚ，这样整个装置的开关等效 频率是６２０＊６～７００＊６Ｈｚ，较高的开关频率使输出电压中高次谐 波含量相当低，输出侧无需加装滤波装置，这里需要指出的是由 于采用功率单元串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线 的电压值，不存在器件串联引起的均压问题。 四输出信号的谐波特性 ５ 麴 Ｏ ｌ Ｓ 抛 ｉ５ 如 通过采用单元串联多电平技术实现直接高压输出，得到的 ＳＰＷＭ波电压加到负载上时，由于负载的电感作用将正弦锯齿 形电流波变成非常接近正弦的电流波形，ｄｖ／ｄｔ很小。将一台每 相６单元串联多电平（ＰＷＭ）电压源型ＺＩＮＶＥＲＴ系列变频器接 ｌｏｏ 镰蹬魂 潴漩鞲瞧 蒸浚ｌ １００％Ｔｉ＇ＩＤｔ ｌ 于型号为ＹＫ１６００—２／９９０额定电压６０００Ｖ额定电流１８５Ａ三相异 步电动机，在运行中测得输出的相电压基波为１００％，谐波ＴＨＤ＜ １．９％，输出相电流基波１００％，谐波＜１．２％，（如图３）满足 ＩＥＥＥ５１９—１９９２和ＧＢ／Ｔ１４５４９—９３的要求。 五总结 ０ ７５ ５ 单元串联多电平ＰＷＭ电压源型变频器采用若干个低压 ＰＷＭ变频功率单元串联实现直接高压输出，电源侧采用干式变 压器，其低压侧采用移相延边三角产生多组绕组，输出侧利用各 个单元输出电平ＰＷＭ移相叠加，使输入输出侧产生的谐波非常 小，输出电流引起电机附加发热，转矩脉动以及ｄｖ／ｄｔ等问题很 小。根本不需要加装滤波器，同时，由于采用单元串联技术上不 ｌ ５ ｌ０ ｌ５ ２Ｏ 辍出电疆谐浚特性 图３ 存在器件串联引起的均压问题，所以该拓扑结构的变频器在工 业生产中得到广泛应用。 （上接第４４页） 及其夹紧与对中程度。预热及吸热阶段过后，就是转换阶段、焊 接阶段及冷却阶段，对于全自动热熔焊机来说，以三阶段都有焊 接机具自动操作一气呵成，之后就得冷却阶段的焊口外观检查 以及刨边翻边检查，当然并不是说以上三个阶段都由焊机自动 操作就不需要人为的监护及管理了，如管道在焊接过程中是会 因焊机拖动导致管道平移的，那么在管道进行焊接前应当在适 合的距离范围内放置滑轮支架避免管道因焊机的拖动导致管道 与地面接触产生划痕；对环境监测，特别是在转换阶段，转换阶 管件难度较大，需要慢慢调整，此时不应当使用蛮力进行承插， 因为电熔连接件内部发热的电热丝埋设于电熔管件内部，一味 的使用蛮力承插至中隔位，会导致电热丝错位造成焊接失败。 焊接时对于管件的包装带应当在使用前才拆除，以防止其内部 受到污染。在开始焊接前，应当使用固定夹具对焊口进行固定， 以消除管道管件之间存在的应力影响焊接质量，焊接结束冷却 时间到达后才允许拆除固定夹具。电熔焊接连接结束后应当检 查以下项目：１）检查标记线是否有位移；２）电熔管件熔融物溢出 是否正常；３）用手触摸电熔管件各部位，确定管件发热均匀；４） 管材周围是否有刮削的痕迹；５）管材与管件之间是否有间隙，或 是否有熔融物、电阻丝溢出。 五结论 段烫板会跳起，然后在焊机规定时间内进行合拢，但若此时环境 温度过低且风力较大，则会导致焊接融合面瞬间温度下降，不能 达到规范要求的焊接融合温度减低焊口的强度；焊接完成对融 合后的翻遍对称性进行检查、百分之百的刨边并进行翻变背弯 试验。 （二）电熔连接技术 燃气ＰＥ管道工程施工质量直接关系到管网后期投入运行 安全＇Ｏｒ况及其安全生产寿命，更直接关系到城市居民生命财产 安全，先进的技术需要更先进的管理模式来适应其发展，在没有 直观可靠的ＰＥ焊口质量检验检测技术前，只有将过程控制贯穿 渗透：于二ＰＥ管施工的人、机、料、法、环的每个环节中的关键节点， 才能确保优良的ＰＥ管焊接质量。 参考文献 焊接程序：对即将电熔连接的管道进行氧化层的刮削，刮削 前应测量电熔管件的长度，在管材表面上划标记线，标记线的位 置应当大于测量长度５－１０ｍｍ，在标记线融合面画网格线以确保 氧化层被刮削干净，刮削深度应当为０．１０—０．２ｍｍ，工程督导及监 理严禁操作人员使用玻璃片、锯皮背面、刀片等非专用刮削工具 进行氧化层的刮削。对于刮削干净后而不会立即使用的管段、 短接应当用保护膜（保鲜膜、塑料袋、透明胶）保护刮削面，防止 其二次氧化，刮削好的管件在插入管件之后应当在达到插入深 度（中隔位）之后在管件表面画圈标记线，以利于管道发生位移 【１］翟瑞隆．港华ＤＭ１１第三版２０１０［Ｓ］，２ＯＬＯ（５．１—４５）． 『２］ｃＪｊ６３—２００８．聚乙烯燃气管道工程技术规范［Ｓ］，２００８ （７－１１） 时可以及时调整，也可以作为管道焊接结束后的检查项目以确 定管道焊接是否满足要求，这里需要注意的一项就是管道插入 管件的时候，由于部分焊ＩＺｌ因地势原因或死口，会导致管材插入 『３１姜奎书．聚乙烯材料压力管道焊接技术［ｚ］．山东省特种设 备检睑研究院培训中心，２００６（１０６－１２３）
