變速驅動系統中無源濾波器的設計方法

程宏

摘要： 近年來，變速驅動系統的應用快速增長。但是一個不利的影響是它會在電力系統中產生諧波，并且降低真功率因數。真因數越低，意味著輸電網中產生越高的無功功率，降低電能的利用。變速驅動系統輸入側的無源濾波器通過減少諧波，提高真功率因數來減少能源損耗。文章敘述了變速驅動系統輸入側的無源濾波器的設計方法，并且用PSPICE軟件進行了仿真驗證。

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.

關鍵詞： 變速驅動系統；無緣濾波器；諧波；PSPICE仿真

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

中圖分類號：TN713 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）08-0091-04

0 引言

變速驅動系統在工業中得到廣泛應用。但是它含有大量諧波，并且因此降低了與它相關的供電系統的功率因數。中國是工業和能源需求大國，如何提高變速驅動系統的效率，減少能源消耗，是工業生產中的一個重要課題。本文提出了用無源濾波器抑制諧波，提高功率因數的方法。成本低廉，易于實現。

1 變速驅動系統介紹

變速驅動系統是過程控制的必須部分。它可以提高產品質量，減少噪音，增加效率和設備壽命，減少維修費用。它的主要組成部分是電源，變頻器，控制回路加上感應電機。但是，不利的影響是變速驅動系統會在電力系統中引進諧波干擾。作為一個非線性負載，變速驅動系統輸出非正旋電流，富含諧波。這些諧波流入提供電能的電力系統，使配電設備（如變壓器）過載，并且和功率因數調節電容發生共振和其他問題。

諧波在20世紀90年代被發現以來，在能源質量領域得到了廣泛的重視。多數情況下，直到故障的出現，才意識到它的影響。對它進行深入的了解已經提到重要的議題上。對電力系統中產生的諧波干擾制定規范已經變得很重要。IEEE 519-1992標準對供電設施和用電設備的公共連接點處的諧波限制提供了指導方針。

變速驅動系統中的諧波可以用公式（1）來表示：n是諧波次數，k是任意正整數，q是能源轉換系統中的脈沖數。

n=kq±1（1）

所以典型的三相六脈沖整流電路中的主要諧波次數是5，7，11，13。

變速驅動系統中富含諧波，在它的輸入側加入適當的無源濾波器可以消除大部分諧波，還可以提高它的功率因數。下面介紹一下幾種常用的無源濾波器原理和適用范圍。

2 無源諧波濾波器的種類

無源諧波濾波器由電感，電容和電阻原件連接而成來控制諧波。它們用途很廣，跟其他去諧波設備相比，費用低廉。

2.1 并聯無源濾波器

最普通的無源濾波器是單調濾波器。這種濾波器在某一特定的諧波電流上顯示低阻抗，并聯在能源系統中。因此，諧波電流被從正常的流動路線中分流到濾波器上。并聯濾波器還可以提供功率因數修正電容。圖1展示了幾種類型的并聯濾波器。

這種濾波器的一個重要影響是在低于陷波頻率處產生尖銳的并聯諧振點。它必須調到跟它所要消除的諧波頻率一致才能起到濾波作用。正常情況下，安裝一個7次濾波器也必須同時安裝5次濾波器。例如，對于三相六脈沖變速驅動系統，5次和7次諧波濾波器必須調到250 Hz 和 350Hz。實踐中，為了避免由于時間和溫度引起的濾波器的參數變化而出現并聯諧振，這種濾波器都調到比諧振頻率低一點。多數中低壓濾波器都調到0.94倍的諧振頻率。

2.2 串聯無源濾波器

串聯無源濾波器與負載串聯相接。電感和電容在選擇的諧波頻率點并聯調諧成高阻抗。高阻抗在調諧的頻率點阻止諧波電流的流過。圖2展示了一個典型的串聯濾波器。

串聯濾波器能阻止單諧波電流，尤其在單項電路中。在多諧波電路中，它的使用很有限，主要是每個頻率的諧波電流都需要一個濾波器。而且，它需要設計成滿載電流并且需要過流保護裝置。

2.3 低通濾波器

在實際應用中，經常需要用到多重濾波器來消除多重諧波。低通濾波器配置由串聯電感和并聯電容組成。對于選定的頻率，LC組合對地提供一條低阻抗通路。它理想的應用是阻止多重諧波頻率。低于截止頻率的電流可以通過，高于截止頻率的被濾波掉。圖3展示了典型的低通濾波器配置。用于變速驅動系統的低通濾波器通常設計到2至4倍的基波頻率。在這個低的調諧頻率下，這種濾波器在和其他系統或者元件不產生任何諧振的情況下，濾除了大部分諧波電流，可以把諧波電流降至5-12%范圍內。

3 功率因數

真功率因數和位移功率因數：

通常，對于真功率因數和位移功率因數有一個誤解。功率因數是電流和電壓之間相位角的余弦值。但是，這個公式適用于電壓和電流是純正弦的，負載必須是線性的，總諧波失真是零的條件下。在非線性負載中，真功率因數是有功功率和視在功率（含諧波）的比值。

總功率因數（TPF），失真系數Fdist，位移功率因數（DPF）和總諧波失真（THD）之間的關系可用下列公式表示：

TPF = DPF * Fdist （2） Fdist=■ （3）

TPF=DPF * ■（4）

4 變速驅動系統內的諧波和功率因數

文章用一個典型的1000 KVA，二次側415VAC，10%阻抗，X/R比是5的變壓器作為電源和一個三相不可控二極管橋式整流電路組成圖4所示的變速驅動系統做為仿真模型，來描述變速驅動系統輸入側無源濾波器的設計方法。圖4電路中，

DPF=cos？準1=0.999（lagging）；THD=47.47%

TPF=■×0.999=0.902（lagging）。

5 無源諧波濾波器設計

5.1 單調濾波器的設計方法

①選擇濾波器的調諧頻率。

② 計算電容量。

總體來說，濾波器的設計基于負載功率因數校正的無功功率需求。根據公式5，6，7，計算出無功功率需求，然后計算電容值（C）。

Q=P（tan？準1- tan？準2）（5）

XC1=■（6） C=■（7）

③根據下列公式計算出電感值（L）。

L=■（8）

h是想濾除的諧波次數，r是小于1經驗系數，一般取0.94。

5.2 低通濾波器的設計方法

跟單調濾波器比較，低通濾波器不是調諧濾波器。L和C的電感在截止頻率時等于特征內阻，在這時起到濾波作用。該無源濾波器的設計是基于最小的無功功率需求和最大的諧波電流需要。根據公式（3） 和IEEE對諧波的限制要求，最佳方法是先在變速驅動系統中加電抗器，去除諧波來提高真功率因數。設計低通濾波器的方法總結如下：

①在整流器輸入側連接電抗器。如果電流中總的諧波不滿足IEEE 519-1992標準，增加電抗量，直到諧波畸變達到限制標準。通常，取達到標準的最小電抗量。

②保持選擇的電抗，連接電容把位移功率提高到所需的數值。

5.2.1 選擇線路電抗器

根據公式（9），選擇5%電源阻抗的電抗器計算出L=0.18mH。然后用PSPICE軟件進行仿真，用趨近法進一步算出L=2.2mH時，THD=7.82%，符合標準的要求（按IEEE 519-1992標準，圖4電路的THD應小于等于8%）。

L=■（9）

5.2.2 濾波器電容值的計算

在這個例子里，假設期望的真功率因數是0.96，根據公式（5），（6），（7）計算出，C=780.6？滋F。因此，根據理論計算， L=2.2mH時，這個低通濾波器的截止頻率是：f0=■=155 Hz

它是3.1倍的基礎頻率（50Hz）。這個頻率低于圖4系統中最主要的諧波頻率5次諧波。就是說，圖4所以變速驅動系統中，高于5次的諧波，全部被設計的無源濾波器濾除。

在圖4所示的典型變速驅動系統中，加入C=780.6？滋F，L=2.2mH的三相無源低通濾波器后，輸入電流由238.2A變成226.8A，降低了11.4A。 THD 由47.74%變成5.84%， TPF由0.9變成0.96。圖5顯示了加入無源濾波器前后，變速驅動系統輸入電流的諧波頻譜比較，圖6顯示了加入無源濾波器前后，變速驅動系統輸入電流波形比較。

6 結語

文章介紹了幾種常用的無緣濾波器的結構和特點。利用一個典型的變速驅動系統模型介紹了單調濾波器和低通濾波器的設計方法。并用PSPICE軟件仿真了在變速驅動系統中加入低通濾波器前后，輸入電流波形和數值的變化，證明了文中設計方法的有效和可行性。通過仿真結果，論證了無源濾波器抑制變速驅動系統內諧波，提高其功率因數的作用。

參考文獻：

[1]Cao，M.T. & Hori，Y. Convergence improvement of efficiency-optimization control of induction motor drives[J]. Industry Applications Conference 2000. Conference Record of the 2000 IEEE， 3：1662-1669.

[2]Hoevenaars， T.， LeDoux， K. & Colosino， M. Interpreting IEEE Std 519 and Meeting Its Harmonic limits in VFD Applications [J].Petroleum and Chemical Industry Conference， IEEE Industry Applications Society 50th annual.2003.

[3]Dugan， R. C. Electrical Power Systems Quality [M].The McGraw-Hill Companies， USA.2002.

[4]De La Rosa， F. Harmonics and Power Systems[M].CRC Press Taylor &Francis Group， USA.2006.

[5]Peeran， S.M. & Cascadden， C.W.P. Application， Design and Specification of Harmonic Filters for Variable Frequency Drives [J]. IEEE Transactions On Industry Applications.2009，31（4）.

[6]畢向陽，朱凌.無源濾波器的設計及仿真研究[J].電力電容器與無功補償，2008，29（5）.

[7]Nunes， J. V. R.A Linear Displacement Power Factor Compensator [J]. 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference Aachen， Germany， 2004.