变速驱动系统中无源滤波器的设计方法

程宏

摘要： 近年来，变速驱动系统的应用快速增长。但是一个不利的影响是它会在电力系统中产生谐波，并且降低真功率因数。真因数越低，意味着输电网中产生越高的无功功率，降低电能的利用。变速驱动系统输入侧的无源滤波器通过减少谐波，提高真功率因数来减少能源损耗。文章叙述了变速驱动系统输入侧的无源滤波器的设计方法，并且用PSPICE软件进行了仿真验证。

Abstract： The usage of Variable Speed Drives （VSDs） have grown rapidly in recent years. However， a unfortunate side effect of their usage is the introduction of harmonic distortion in the power system and reduction of true power factor （TPF）. The lower the true power factor， the higher the apparent power drawn from the distribution network， which makes poor electrical efficiency. A passive filter connected at the input side of a VSD converter reduces energy losses in the power supply system by reducing harmonics and improving the true power factor. This paper describes the design method of passive filters at the input side of a VSD and use PSPICE software to simulate and verify.

关键词： 变速驱动系统；无缘滤波器；谐波；PSPICE仿真

Key words： Variable Speed Drive；passive filter；harmonics；PSPICE simulation

中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）08-0091-04

0 引言

变速驱动系统在工业中得到广泛应用。但是它含有大量谐波，并且因此降低了与它相关的供电系统的功率因数。中国是工业和能源需求大国，如何提高变速驱动系统的效率，减少能源消耗，是工业生产中的一个重要课题。本文提出了用无源滤波器抑制谐波，提高功率因数的方法。成本低廉，易于实现。

1 变速驱动系统介绍

变速驱动系统是过程控制的必须部分。它可以提高产品质量，减少噪音，增加效率和设备寿命，减少维修费用。它的主要组成部分是电源，变频器，控制回路加上感应电机。但是，不利的影响是变速驱动系统会在电力系统中引进谐波干扰。作为一个非线性负载，变速驱动系统输出非正旋电流，富含谐波。这些谐波流入提供电能的电力系统，使配电设备（如变压器）过载，并且和功率因数调节电容发生共振和其他问题。

谐波在20世纪90年代被发现以来，在能源质量领域得到了广泛的重视。多数情况下，直到故障的出现，才意识到它的影响。对它进行深入的了解已经提到重要的议题上。对电力系统中产生的谐波干扰制定规范已经变得很重要。IEEE 519-1992标准对供电设施和用电设备的公共连接点处的谐波限制提供了指导方针。

变速驱动系统中的谐波可以用公式（1）来表示：n是谐波次数，k是任意正整数，q是能源转换系统中的脉冲数。

n=kq±1（1）

所以典型的三相六脉冲整流电路中的主要谐波次数是5，7，11，13。

变速驱动系统中富含谐波，在它的输入侧加入适当的无源滤波器可以消除大部分谐波，还可以提高它的功率因数。下面介绍一下几种常用的无源滤波器原理和适用范围。

2 无源谐波滤波器的种类

无源谐波滤波器由电感，电容和电阻原件连接而成来控制谐波。它们用途很广，跟其他去谐波设备相比，费用低廉。

2.1 并联无源滤波器

最普通的无源滤波器是单调滤波器。这种滤波器在某一特定的谐波电流上显示低阻抗，并联在能源系统中。因此，谐波电流被从正常的流动路线中分流到滤波器上。并联滤波器还可以提供功率因数修正电容。图1展示了几种类型的并联滤波器。

这种滤波器的一个重要影响是在低于陷波频率处产生尖锐的并联谐振点。它必须调到跟它所要消除的谐波频率一致才能起到滤波作用。正常情况下，安装一个7次滤波器也必须同时安装5次滤波器。例如，对于三相六脉冲变速驱动系统，5次和7次谐波滤波器必须调到250 Hz 和 350Hz。实践中，为了避免由于时间和温度引起的滤波器的参数变化而出现并联谐振，这种滤波器都调到比谐振频率低一点。多数中低压滤波器都调到0.94倍的谐振频率。

2.2 串联无源滤波器

串联无源滤波器与负载串联相接。电感和电容在选择的谐波频率点并联调谐成高阻抗。高阻抗在调谐的频率点阻止谐波电流的流过。图2展示了一个典型的串联滤波器。

串联滤波器能阻止单谐波电流，尤其在单项电路中。在多谐波电路中，它的使用很有限，主要是每个频率的谐波电流都需要一个滤波器。而且，它需要设计成满载电流并且需要过流保护装置。

2.3 低通滤波器

在实际应用中，经常需要用到多重滤波器来消除多重谐波。低通滤波器配置由串联电感和并联电容组成。对于选定的频率，LC组合对地提供一条低阻抗通路。它理想的应用是阻止多重谐波频率。低于截止频率的电流可以通过，高于截止频率的被滤波掉。图3展示了典型的低通滤波器配置。用于变速驱动系统的低通滤波器通常设计到2至4倍的基波频率。在这个低的调谐频率下，这种滤波器在和其他系统或者元件不产生任何谐振的情况下，滤除了大部分谐波电流，可以把谐波电流降至5-12%范围内。

3 功率因数

真功率因数和位移功率因数：

通常，对于真功率因数和位移功率因数有一个误解。功率因数是电流和电压之间相位角的余弦值。但是，这个公式适用于电压和电流是纯正弦的，负载必须是线性的，总谐波失真是零的条件下。在非线性负载中，真功率因数是有功功率和视在功率（含谐波）的比值。

总功率因数（TPF），失真系数Fdist，位移功率因数（DPF）和总谐波失真（THD）之间的关系可用下列公式表示：

TPF = DPF * Fdist （2） Fdist=■ （3）

TPF=DPF * ■（4）

4 变速驱动系统内的谐波和功率因数

文章用一个典型的1000 KVA，二次侧415VAC，10%阻抗，X/R比是5的变压器作为电源和一个三相不可控二极管桥式整流电路组成图4所示的变速驱动系统做为仿真模型，来描述变速驱动系统输入侧无源滤波器的设计方法。图4电路中，

DPF=cos？准1=0.999（lagging）；THD=47.47%

TPF=■×0.999=0.902（lagging）。

5 无源谐波滤波器设计

5.1 单调滤波器的设计方法

①选择滤波器的调谐频率。

② 计算电容量。

总体来说，滤波器的设计基于负载功率因数校正的无功功率需求。根据公式5，6，7，计算出无功功率需求，然后计算电容值（C）。

Q=P（tan？准1- tan？准2）（5）

XC1=■（6） C=■（7）

③根据下列公式计算出电感值（L）。

L=■（8）

h是想滤除的谐波次数，r是小于1经验系数，一般取0.94。

5.2 低通滤波器的设计方法

跟单调滤波器比较，低通滤波器不是调谐滤波器。L和C的电感在截止频率时等于特征内阻，在这时起到滤波作用。该无源滤波器的设计是基于最小的无功功率需求和最大的谐波电流需要。根据公式（3） 和IEEE对谐波的限制要求，最佳方法是先在变速驱动系统中加电抗器，去除谐波来提高真功率因数。设计低通滤波器的方法总结如下：

①在整流器输入侧连接电抗器。如果电流中总的谐波不满足IEEE 519-1992标准，增加电抗量，直到谐波畸变达到限制标准。通常，取达到标准的最小电抗量。

②保持选择的电抗，连接电容把位移功率提高到所需的数值。

5.2.1 选择线路电抗器

根据公式（9），选择5%电源阻抗的电抗器计算出L=0.18mH。然后用PSPICE软件进行仿真，用趋近法进一步算出L=2.2mH时，THD=7.82%，符合标准的要求（按IEEE 519-1992标准，图4电路的THD应小于等于8%）。

L=■（9）

5.2.2 滤波器电容值的计算

在这个例子里，假设期望的真功率因数是0.96，根据公式（5），（6），（7）计算出，C=780.6？滋F。因此，根据理论计算， L=2.2mH时，这个低通滤波器的截止频率是：f0=■=155 Hz

它是3.1倍的基础频率（50Hz）。这个频率低于图4系统中最主要的谐波频率5次谐波。就是说，图4所以变速驱动系统中，高于5次的谐波，全部被设计的无源滤波器滤除。

在图4所示的典型变速驱动系统中，加入C=780.6？滋F，L=2.2mH的三相无源低通滤波器后，输入电流由238.2A变成226.8A，降低了11.4A。 THD 由47.74%变成5.84%， TPF由0.9变成0.96。图5显示了加入无源滤波器前后，变速驱动系统输入电流的谐波频谱比较，图6显示了加入无源滤波器前后，变速驱动系统输入电流波形比较。

6 结语

文章介绍了几种常用的无缘滤波器的结构和特点。利用一个典型的变速驱动系统模型介绍了单调滤波器和低通滤波器的设计方法。并用PSPICE软件仿真了在变速驱动系统中加入低通滤波器前后，输入电流波形和数值的变化，证明了文中设计方法的有效和可行性。通过仿真结果，论证了无源滤波器抑制变速驱动系统内谐波，提高其功率因数的作用。

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