整流变压器、中频变频器的选择、谐波对电网的影响及抑制措施

一、变频器的选择 

1．中频变频器

国内锻压工厂当前使用的感应加热设备中的电源装置，绝大多数是以晶闸管为主要元件的静止式变频器，由于它工作在中频频段，故称晶闸管中频变频器。 

 

图1 中频变频器主电路原理图

这种中频变频器的主电路主要由四部分组成：

①三相全控桥式整流电路

它将正弦的工频交流电压U整流成脉动的直流电压U_d。调节直流电压U_d就可调节负载电流。

②滤波电抗器

作为储能电感，它把工频网络和中频网络隔开；对直流电流I_d滤波；当中频网络发生短路时，配合装置的过电流保护系统来限制短路电流的上升速率及峰值。

③逆变器

由四只晶闸管组成的单相桥式逆变电路将直流电流I_d逆变为中频电流Ia，并将它送入负载电路。

④负载电路

由感应器和电热电容器组成并联谐振电路，对坯料进行感应加热。由基波和谐波组成的方波中频电流Ia进入并联谐振电路时，该谐振电路对基波电流呈现大的阻抗，对谐振电流呈现小的阻抗，因此，方波中频电流在感应器负载的电压接近正弦波形。

我国机械行业标准JB/T 8669-1997《中频感应加热用半导体变频装置》规定了中频变频器的功率系列型谱（kW）：25、50、100、160、250、500、750、1000、1500、2000、2500、3000、4000、5000。我们确定中频变频器的额定功率值可依照这个型谱选择。

中频变频器的交流进线电压，也就是整流变压器阀侧线电压值可按国家标准GB156-2003《标准电压》：三相四线或三相三线系统的标准电压220/380V；380/660V；1000V来选择。

2．中频变频器主电路参数的计算

以整流变压器阀侧线电压660V、12脉波、双整流器、额定功率2000kW、标称频率200Hz、并联谐振的变频器为例介绍主电路参数计算。

①忽略逆变换相重叠角的变频器输出电压（中频电压）U_a

U_a =πU_d /(2cosφ)=π×810/(2cos30°) =1039V

其中：U_d ——直流电压。

φ——晶闸管逆变触发超前角。

表1 整流变压器阀侧线电压与变频器直流电压关系表*

整流变压器阀侧线电压U（V）变频器直流电压U_d（V）380660490810

 * 本表中直流电压U_d非计算结果,而是在变频器输出额定功率条件下整流变压器阻抗压降为6.5%时仿真所得。

表2 国产晶闸管逆变触发超前角参考值

频率（Hz）20040010002000400010000φ30°32°36°38°42°46°nextpage

②直流电流I_d和I_dq

I_d=P_a / U_d = 2000×10³/810=2469A

P_a ——变频器额定功率

如果是整流变压器为12脉波输出，每组整流桥的输出直流电流I_dq：

I_dq = I_d ×0.6=2469 ×0.6 =1481 A

直流电流I_d乘以0.6是考虑两个整流桥有60%和40%的不均衡。

③整流晶闸管（KP）电流半波平均值I_thI_th=1481/×2/π=544 A

④整流晶闸管（KP）的选择[注1]

选取KP-1000A/2.5kV，则：I_thI=1000A

电流裕度系数K_I =I_thI/I_th=1000/544=1.84

电压裕度系数K_U = 2500/(600××1.1)=2.68

整流晶闸管实际承受的电压峰值的1.1倍（因整流变压器阀侧电压可能有±10%的波动）。

⑤逆变晶闸管（KK）电流半波平均值I_th

I_th=×=2469×2/(π)=1111A

⑥逆变晶闸管的选择[注2]

选取KK-2000A/2800V

电流裕度系数K_I = 2000/1111=1.80

电压裕度系数K_U = 2800/(×1039)=1.91

⑦每一组整流桥的直流滤波电感值L_d

[ 注1 ] 电流裕度系数K_I、电压裕度系数K_U按经验值一般在1.5～2.0之间选取。

[ 注2 ] 目前国产快速晶闸管2800V耐压条件下，电流可达3500A，如要求更高耐压的情况下，可将两只KK管串联连接。串联晶闸管应由晶闸管生产厂按均压要求选配，并在工厂组装为一体。

L_d=3U/[ 4 π f（I_M-1.1I_dq）]

=3×660/[4π×50（1000π-1.1×1481）] ≈2.95mH≈3mH

I_M=I_thI×π=1000×π=3141.6A

式中设过流保护动作时，限制直流电流峰值I_M=3141.6A，按上述选择1000A整流晶闸管和2000A逆变晶闸管的过电流能力计算，则直流电流峰值应达到：

1000π×2=6283A

2000π=6283A

因此，按I_M=3141.6A计算确定I_d=3mH对整流和逆变晶闸管都是安全的。

⑧整流变压器漏感

整流变压器阀侧每相容量2500/6=416.7kVA

整流变压器阀侧相电压660V/=381 V

整流变压器阀侧额定相电流416.7×10³/381=1094A

整流变压器短路电压381×6.5%=24.765V

整流变压器短路阻抗24.765/1094=0.0226Ω

整流变压器每相漏感(忽略变压器绕组电阻) 0.0226/（2π×50）=72μH

⑨整流晶闸管实际承受的di/dt

di/dt =660×sin60°/(2×72)=5.6A/μS

而整流晶闸管能够承受的di/dt=100A/μS，这证明整流变压器的漏感足以将晶闸管的di/dt限制到十分安全的程度。所以，有些变频器线路中不设置660V侧的限流电感，也是有道理的。nextpage

⑩逆变晶闸管实际承受的di/dt

di/dt=×Ua×sin30°/(2L_k) = ×1039×sin30°/(2×5)=73.5A/μS 

表3 国产逆变晶闸管di/dt限制电感参考值

频率(Hz)20040010002000400010000限制电感L_K(μH)5432.521.5

所选逆变晶闸管di/dt=200A/μS

二、整流变压器的选择

1、整流变压器与电力变压器的区别

为整流装置供电用的变压器，称之为整流变压器。整流变压器与电力变压器虽然工作原理相同（法拉弟电磁感应定律）、结构类似（绕在共同铁心上的两个或两上以上绕组组成）、外观相近（都是一种静止的电器设备）。但两者还是存在很大的区别：

①电力变压器一个周期内只有三个正弦脉波。整流变压器一个周期内的脉波数（即等效相数）可达6或12个。

②电力变压器高低压通常与电网电压等级相匹配，而整流变压器只是网侧电压与电网电压等级相匹配而阀侧电压可根据负载要求、整流方式而定。

③整流变压器需进行换向阻抗计算。

④整流变压器由于谐波引起的附加损耗不能忽视。因此，同样功率等级条件下的整流变压器在制造时，用铜量及硅钢片用量要高得多。

由此可见，锻压工厂给晶闸管中频变频器供电的变压器用电力变压器替代是不合适的。只要是带晶闸管中频变频器这样的负载，都必须使用整流变压器。

2、整流变压器容量的确定：

整流变压器的容量S与晶闸管中频变频器输出的额定功率P的经验关系式：

Ｓ=≈1.25P （kVA）

其中K为整流变压器的效率、整流变压器负载的功率因数、保险系数的乘积，取0.85

η₁：晶闸管中频变频器整流器的效率，取0.97。

η₂：晶闸管中频变频器逆变器的效率，取0.97。

例如：晶闸管中频变频器的额定功率为2000kW，代入上式，整流变压器的额定容量为2500kVA。

整流变压器额定容量的系列型谱：GB1094.1-1996规定的额定值应优先从GB321中R10序列（……100、125、160、200、250、315、400、600、630、800、1000……）中选取。

3、整流变压器联接组别

① 6脉波整流变压器联接组别有两种形式：

一种：D，d₀

另一种：D，Yn11

② 12脉波整流变压器联接组别也有两种形式：

一种形式是以上两种不同联接组别的6脉波整流变压器并联运行获得等效的12脉波整流变压器。

另一种形式，是一种“三绕组”的12脉波整流变压器，其联接组别：

D，do-yn11

2台6脉波整流变压器并联运行组成等效12脉波的优点是可以确保D，d₀和D，yn11两种电压的变比非常接近，其电压误差精度可达±0.2%。采用后一种形式（单台三绕组的12脉波模式）由于“yn接”与“d接”匝数须相差倍，且为整数匝，因此必须采用固定的匝数比，如3/5、4/7、7/12、8/14、11/19、15/26、18/31、19/33、22/38、23/40、26/45等。当采用这些固定的匝数比后，其误差精度可达±1%。整流变压器容量越小，匝数越多，其变比误差也越小，最好的情况也可达到±2%以内。因此，锻压工厂在选定整流变压器时，除非变压器容量特别大和变频器对电压误差精度要求特别高，绝大多数情况都应采取单台12脉波的形式，因为相对于第一种形式，毕竟它占地少、用材省、损耗低、效率高，且技术成熟。

③ 24脉波整流变压器的连接组别

24脉波的整流变压器由2台12脉波整流变压器组成。两台的连接方式都是：D，yn11-d₀，其中一台高压移相+7.5°，另一台高压移相-7.5°。

4、整流变压器的阻抗电压K.

锻压工厂常用的几种整流变压器的阻抗电压，可参照下表选择。

表4 常用的整流变压器阻抗电压选择表

容量(kVA）6301000160025004000630010000阻抗电压(%)666.56.577.57.5～8nextpage

三、谐波源及其危害

向公用电网注入谐波电流的非线性电气设备称之为谐波源。锻压工厂使用的感应加热设备，就是多个谐波源的集合。

①晶闸管型中频变频器中的三相全控桥式整流器和逆变器都是谐波源。其中，由整流器产生的谐波对电网的影响是最主要的。

②电力电容器本身并非谐波源，但电容器组合闸时，涌流注入电网会成为暂态性谐波源，特别是当电容器支路调谐不当时，会引起有害的谐波谐振及谐波放大现象。

③整流变压器参数选择不当，设计结构和制造工艺不良，铁心材料质量差，也会产生较大的谐波并向电网注入大量谐波，成为谐波源。

所有谐波源中，晶闸管中频变频器中的整流器产生的谐波电流是主要的谐波源。

这些谐波电流注入供电系统，在供电线路上产生电压降，谐波电压与基波电压迭加，致使公共连接点（用户接入公用电网的连接处）电压波形畸变。另外，晶闸管型中频变频器的晶闸管换相时，在电网正弦电压波上产生缺口，也加重了电压波形畸变。

谐波对电网造成的危害是多方面的：

①对电气设备的影响

当谐波数h=3k-1次时，谐波电压分量为逆序分量（2、5、8……），产生逆序磁通，使电动机产生反转力矩，引起发电机定子、转子产生附加损耗和附加温升，转子尤为严重，而影响发电机输出，导至电动机的功率因数和最大转矩下降。变压器的激磁电流额外加大。功率损耗增加影响仪表的准确度。（有关资料介绍：电压畸变率超过10%会导致电子开关产生误动作，超过5%会导致计算机系统紊乱。）

②对电力电容器造成的损害。

谐波增加电容器介质的局部放电和热老化，使其损耗增加，从而使电容器因温升而导致损坏。有时会产生谐波放大，使电容器损坏加快。还会引起机械振动。

③对自控系统和继电保护造成不良影响

④对输配电线路造成不良影响。 

四、谐波影响的抑制措施：

1、增加短路比。

短路比是指电网短路容量与变频器额定功率的比值。如未采取谐波抑制措施，为保证电能质量，必须对变频器额定功率加以限制，即增加短路比。

图2 整流装置的功率与电网短路容量及整流相数的关系

英国电力部门所推荐的整流装置与电网短路容量及整流相数的关系（参见图2），可供我们借鉴。

2、分别提高整流变压器的网侧及阀侧电压等级，加强系统承受谐波的能力。

3、利用整流变压器的相位移和提高整流相数抑制谐波

在一般情况下，整流器这类谐波源的电流含有的特征谐波次数h与整流相数在理论上有以下关系：

h=kP±1 

P ——整流器相数，P=3、6、12、24……

k ——任意正整数，K=1、2、3、4……

P=3时，

h=2、4、5、7、8、10、11、13、14、16、17、19、20、22、23、25……

P=6时，

h=5、7、11、13、17、19、23、25、29、31……

P=12时，

h=11、13、23、25、35、37……

P=24时，

h=23、25、47、49……

由此可见，增加整流相数这一措施对减少谐波电流是十分有效的。而增加整流相数，就是通过改变整流变压器的结线方式和改变移相绕组的组合来实现的。nextpage

以2000kW中频变频器、12脉波整流变压器。660V50Hz阀侧电压为例作谐波分析。

11、13、23、25次谐波电流见下表： 

表5 2000kW660V50Hz晶闸管中频变频器运行时折算到10kV侧谐波电流方均根值计算表（12脉波）

谐波系数(Kh)I_d＇I₁₁I₁₃I₂₃I₂₅0.14070.11670.06650.0622谐波电流I_h (A)116410.89.05.14.8

 I_h —— h次谐波电流I_h =I_d＇×K_h×0.066

I_dq —— 是一组Y（或△）6脉波整流的直流电流值。

I_d＇—— 是一组Y（或△）6脉波整流的基波方均根值。

K_h —— 谐波系数，计算和仿真频谱图中得出。

0.066 —— 整流变压器变比，660V/10kV

35、37次谐波可忽略不计。

国家标准GB/T14549-93《电能质量 公用电网谐波》对电网中注入的谐波加以规范。该标准中的《注入公共连接点的谐波电流允许值》规定在基准短路容量100MVA、10kV标准电压时，谐波电流（方均根值）不应超过下表的数值：

表6 注入公共连接点的谐波电流允许值

标准电压（KV）基准短路容量（MVA）谐波次数及谐波电流允许值11132325101009.37.94.54.1

摘自 GB/T14549-93 《电能质量公用电网谐波》

当电网公共连接点的最小短路容量不同于上表基准短路容量时，可按下式修正上表的谐波电流允许值.

式中：Sk₁ —— 公共连接点的最小短路容量，MVA 

Sk₂ —— 基准短路容量，MVA 

I _hp —— 上表中的第h次谐波电流允许值,A 

I _h —— 短路容量为Sk₁时的第h次谐波电流允许值，A 

表7 公共连接点最小短路容量

谐波次数11132325Sk₁（MVA）116114113117

由上表可见，只要公共连接点的最小短路容量不小于117MVA，2000kW660V进线12脉动整流谐波电流值就已接近有关标准。但国标还规定，同一连接点的每个用户，向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与公共连接点的供电设备容量之比进行分配，这样，虽可接近标准容量但实际达标很难。

总之，提高整流相数是减少谐波电流的有效措施，一般大功率中频变频器往往需要多台并联，因此，在12脉波以下（含12脉波）一般不会增加投资。脉波数超过12时，要考虑对投资和维修带来的影响，应控制使用。36脉波以上对减少谐波已无明显效果，不推荐使用。

4、低压侧加装无源型交流滤波与无功补偿装置

该装置主要由电容器、滤波电抗器、微电脑控制器、接触器、断路器组合而成，与谐波源并联。在实际运用中根据谐波电流成份大小以及无功要求情况进行专门设计，该装置向谐波源提供一个低阻抗通道，谐波电流大部分流入滤波器（滤波效果可达90%以上），使电网畸变减小，而对于基波频率（50Hz）滤波装置可向电网提供无功功率，以提高功率因数，达到无功补偿效果。

在低压侧加装无源型交流滤波与无功补偿装置，投资小（是高压侧的1/3，是有源滤波器的1/20）、效果好，因与谐波源并联，能就地吸收大量谐波，使整个用户的用电系统损耗降低、干扰排除。因此，它是当前解决谐波超标的较好方案。