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火电厂给粉系统中的变频应用与抗干扰


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硕士学位论文
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论正题I|: 火电厂给粉系统中的变频应用与抗干扰

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郭程 机械工程

指导教师姓乱

警业技术职务一堡苎

教授

2000年04 JJ 28

山东大学工程硕士学位论文





针对电厂给粉机控制方法落后影响锅炉稳定经济运行的现状,分析其控制原理 与缺陷,以及该系统运行中出现的如:控制复杂、元件多且散、故障频繁、耗能 等诸多问题:设计了基于锅炉DCS控制系统的给粉机变频调速系统, 经实施,运行状况良好。

1—4#炉已

在变频器工程应用中出现了谐波干扰现象:频繁发生变频器输出到电机的负荷 电缆发生绝缘损坏、变压器的铁芯损耗明显增加、电机运行温升较大、高次谐波 使电网波型严重畸变,用电质量下降等。针对上述现象分析变频器自身产生的干
扰和其受到外界的干扰机理,从抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的传导通道、

提高系统自身抗干扰能力三个方面提出了如何消除谐波干扰。
本文设计并实施了基于锅炉DCS控制系统的给粉机变频调速系统,解决了传统

给粉控制系统运行不稳定从而影响生产的瓶颈问题,为火电厂落后的给粉控制方 式提供了运行稳定的解决方案。本文在深入分析、处理、总结给粉机变频调速系
统实际应用中的经验的基础上,结合现场综合应用消除谐波干扰,分析论述了EMI

电源滤波器的设置、综合应用滤波器电抗器方案、正确的接地方式及合理布线等
抗干扰措施,对提高变频器应用中的抗干扰能力提供一点参考。

由于采用PWM变频供电方式,在电机轴承上会产生高频电流脉冲,从而在电机
转轴两端产生轴电流;如果这些脉冲的能量足够高,就会损坏轴承。本章从低频

和高频轴电流两个方面,分析了轴电流产生机理,提出了预防措施。

关键词:

高次谐波:滤波器;变频:抗干扰:轴电流

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ABSTRACT

In view of

the fact that the behindhand control

means

to

coal—provide

machines of power plants affect the steady economical running of boilers, analyse it’S control such as:control
waste

principle,objection

and the problems that occurred and diffuse,frequent
to

complex,component of power:Design
on a

excessive regulating

failure,a

system

control

the

coal—provide machine that based speed regulating favorable. Making
waves use

power

plants boiler

DCS system,this

system has been used

in

1—4#boilers and the status is

of this system,we

find many

matters about

high~frequency

jamming such as:the burthen cables from transducers
insulation breakage

to electromoters

occurred

frequently,the wastage of

transformer’S

iron—core increased obviously,electrity that transducers off

obviously,electromotors running temperature rised
power

quality
were

falled

metamorphosed.The outside
are

mechanism

jammed

and

jammed
off

by

analyzed,from

shutting

sources,cutting
SO on

channels,improving
to
remove

anti—jamming

abilities and

ways

are

proposed


the

jamming.

This discourse has designed coal—provide machine that based the old control steadily
means

speed—regulating system to control the DCS system,has solved the problem of

on

affecting the boiler’S steady running,has provided for the plants’old regulating system.Based
on

resolvent

analyzing,solving and summing up the experience in the field of transducer

projects,analyze and discuss the
setting of EMI filter,combined

means

for

anti—jamming

such as:the

project

for fiiters and reactors,accurate
are

earth—mode and rational laying wires,a few of references transducer
users

provided to

in this paper.

11

山东大学工程硕士学位论文
Due to adopt PWM frequency conversion
current pulses

control mode,high frequency

appeared at

electromotor axletree,axia—current appeared is high enough,axletrees would be axia—current,this

accordingly:If these pulses’energy destroyed.From low—frequency
reason

and

high—frequency and

discourse analyse the
measures.

of axia—current

bring forward prevent

Keywords:High
1L-

frequency

wave;Fi lter;Frequency

conversion

Anti—jamming;Axia—current

llI

原创性声明

本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独

立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文.不
包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。

论文作者签名:叠丝



期:

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论文作者签名:/枉导师签名:强L窆一日期:
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山东大学工程硕士学住论文

第1章绪论
1.1课题背景
目前国家正处在重新考虑能源发展战略的关键时期。围绕实现现代化。要求 调整我国能源发展战略,优化能源结构,提高能源利用效率.进一步明确和贯彻
节能优先的长期能源战略,把建立国际多元化能源供应体系作为长期能源供应的

战略目标,把能源优质化作为主攻方向,把天然气开发作为下世纪能源开发的重 点,加强天然气管网系统等能源基础设施建设,注重核电、水电、风电等优质一
次电力的开发,加快洁净煤技术的开发利用。 随着我国电力企业改革的深入和改革步伐的加快,火力发电厂竟价上网、独

立核算已经成为必然,降低发供电成本是降低电价的关键,节能降耗是发电厂发 展的必由之路。据国家有关机构统计,电力工业泵与风机的用电量占单位总用电
量的72.43%。而且节能是发展国民经济的一项长期战略任务。能源开发以电力为 中心,发电厂的经济效益和社会效益具有极重要的意义,火电厂是一次能源用能

大户:技术统计表明,到2005年底,火电厂全年耗原煤达4亿吨,提高火电厂热 经济性(即减少能耗)就不仅是降低本身成本的需要,更是影响全国一次能源生
产、运输和节约的大事。 电能是国民经济各生产部门的主要动力,电力生产消耗的能源在我国能源总消 耗中占的比重也很大,因此提高电能生产的经济性具有十分重要的意义。在保证 供电可靠和良好电能质量的前提下,进行优化调度,最大限度地提高电力系统运

行的紧急的经济性,为用户提供充足的、廉价的电能,为此,可以采取的措施有: 安装大容量的发电机组,充分发挥水电在系统中的作用,尽量降低发电厂的煤耗
率(或水耗率),合理分配各发电厂间的负荷,减少厂用率和电网损耗a

1.2国内外研究现状
1.2.1变频技术发展概况
近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流

调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压交得很容易,从而造

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就了一个庞大的电力行业。长期以来,交流电的频率一直是固定的,变频调速技

术的出现使频率变为可以充分利用的资源。
变频调速技术在国民经济和日常生活中的重要地位是由以下因素决定的。(1)

应用面广,是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术。(2)是节约能源的高新
技术。 术。

(3)是国际上技术更新换代最快的领域。(4)是高科技领域的综合性技
(5)是替代进口,节约投资的最大领域之一¨J。

我国电气传动产业始建于1954年,当时第一批该专业范围内的学生从各大专 院校毕业,同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司,这就是

后来天津电气传动设计研究所的前身。现在我国已有200家左右的公司、工厂和
研究所从事变频调速技术的工作。

我国是一个发展中国家,许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至今
自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上80年代水平。随着改革开放,

经济高速发展,形成了一个巨大的市场,它既对国内企业,也对外国公司敞开。 很多最先进的产品从发达国家进口,在我国运行良好,满足了我国生产和生活需
要。 国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品,国内的成套部分在自行设计 制造的成套装置中采用外国进El公司和合资企业的先进设备,自己开发应用软件, 能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。总体来看,由于国内自 行开发、生产产品的能力弱,因此对国外公司的依赖性严重。目前国内主要的产 品状况如下: (1)晶闸管交流器和开关断器件(DJT、IGBT、VDMOS)斩波器供电的直 流调速设备。这类设备的市场很大,随着交流调速的发展,该市场虽在缩减?但 由于我国1日设备改造任务多,以及它在几百至一千多kW范围内价格比交流调速 低得多,所以在短期内市场不会缩减很多。国产设备能满足需要,部分出口?自

行开发的控制器多为模拟控制,近年来主要采用进口数字控制器配国产功率装置。
(2)IGBT或BJT PWM逆变器供电的交流变频调速设备。这类设备的市场很

大,总容量占的比例不大,但台数多,增长快,应用范围从单机扩展到全生产线, 从简单的v/f控制到高性能的矢量控制。

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(3)负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。这类产品在 抽水蓄水能电站的机组起动,大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需
求。国内只有少数科研单位有能力制造,目前容量最大做到12MW。功率装置国

内配套,自行开发的控制装置只有模拟式的,数字装置需进口,自己开发应用软
件。

(4)交一交变频器供电的交流变频调速设备。这类产品在轧机和矿井卷扬传动 方面有很大需求,台数不多,功率大。主要依靠进口,国内只有少数科研单位有 能力制造。目前最大容量做到7000~8000kW“J。

1.2.2变频技术发展趋势及研究现状
1.2.2.1国内外技术现状对比

国外现状,在大功率交.交变频(循环变流器)调速技术方面,法国阿尔斯通 已能提供单机容量达3万kW的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换
向器电机变频调速技术方面,意大利ABB公司提供了单机容量为6万kW的设备 用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面,德国西门子公司Simovert A电 流型晶闸管变频调速设备单机容量为10~2600 kVA和Simovert
P GTO

PWM变频

调速设备单机容量为100~900 kVA,其控制系统已实现全数字化,用于电力机车、 风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术反面,日本富士BJT变频器最大单 机容量可达700kVA,IGBT变频器已形成系列产品,其控制系统也已实现全数字

化【3】a
国外交流变频调速技术高速发展有以下特点: (I)市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺, 变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以 及风机、水泵等的节能场合,应取得显著的经济效益。 (2)功率器件的发展。近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT 等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用,使高低压、大功率交频器产品的

生产及应用成为现实一

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(3)控制理论和微电子技术的发展.矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊
控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础;16位、32位高速微处理 器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展,为实现变 频器高精度、多功能提供了硬件手段。

(4)基础工业和各种制造业的高速发展,变频器相关配套件社会化、专业化
生产。 国内现状,从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距lO~15

年。在大功率交.交、无换向器电机等变频技术方面,国内只有少数科研单位有能
力制造,但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸 如抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷场方 面有很大需求。在中小功率变频技术方面,国内几乎所有的产品都是普通的V/f 控制,仅有少量的样机采用矢量控制,品种与质量还不能满足市场需要,每年大 量进口。

1.2.2.2变频技术发展方向

交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术,既要处理巨大电
能的转换(整流、逆变),又要处理信息的收集、变换和传输,因此它的共性技 术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新 型电力电子器件的应用技术问题,后者要解决(基于现代控制理论的控制策略和 智能控制策略)硬、软件开发问题(在目前状况下主要全数字控制技术)。 其主要发展方向有如下几个: (1)实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略,有矢量控制、 磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等:基于现代理论的控制策略,有滑模 变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性技术,在某种指

标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等:基于智能控制思想的控
制策略,有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术 等。 (2)开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为

1,网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量,以减少对电网的公害和电动机的转矩脉


山东大擘工程硕士学位论文 动。对中小容量变流器,提高开关频率的PWM控制是有效的。对大容量变流器,

在常规的开关频率下,可改变电路结构和控制方式,实现清洁电能的变换。
(3)缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度,

其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源,以及采用 新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变
(如水冷、蒸发冷却和熟管)对缩小装置的尺寸也很有效。

(4)高速度的数字控制。以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足 够的能力实现各种控制算法,Windows操作系统的引入使得可自由设计,图形编
程的控制技术也有很大的发展。

(5)模拟与计算机辅助设计(CAD)技术。电机模拟器、负载模拟器以及各 种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持一J。

1.2.3给粉机调速现状及存在的问题
锅炉给粉机是保证火电厂锅炉平稳运行的重要设备,它控制着供给炉膛煤粉 的煤量和速度,以达到锅炉稳定燃烧的作用。目前锅炉运行过程中,锅炉燃烧情 况根据蒸汽负荷随时调整.燃烧火焰和压力频繁变化,要求主操手根据锅炉燃烧 情况随时增减燃煤量,一旦调整不当锅炉就会出现事故从而影响生产。所以,对
给粉机的要求是供给煤粉的速度和煤量必须平滑、稳定。若煤粉供给过多,炉膛 火焰喷燃引起火灾,严重着炉膛爆燃损坏设各:若煤粉供给不上。炉膛火焰被负 压空气作用下灭火,造成灭炉。

目前我厂采用滑差方式完成给粉机的调速,正常运行时,电动机定速运行, 通过DK.2控制器改变滑差部分的励磁电压来改变给粉机转速,从而控制下煤量。
此种方法存在设备复杂、易出现如故障点多、操作繁琐、运行可靠性差、调速精 度及线性度差、维护工作量大等缺点,

目前给粉机存在的主要问题:
(1)交流接触器工作电压为380V,受系统电压变化影响较大,经常因电压 降低,交流接触器返回跳闸,也常引起停炉事故,严重影响了锅炉的正常运行。 (2)电动机定速运行,耗电量比较大,不利于节能降耗。而且我公司电厂l#

锅炉8台给粉机的滑差电机为铡,电磁线圈易被煤粉堵塞而烧坏,需经常清理,

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尤其在现场漏粉现象较严重情况下,故障率较高。此外,滑差电机结构复杂,维 修量大,费用高,影响正常生产。
调速控制主回路采用交流接触器分合,因其受电网电压影响很大,在电网系 统瞬间低电压时,接触器会返回跳闸.造成锅炉灭火事故:调速控制回路复杂, 电磁滑差调速耗能大、结构复杂、故障率高,严重影响了正常生产和经济效益。

每年我厂l一.4#炉累计锅炉事故lO起。因为给粉调整故障原因占到8起,直接经济
损失约三十万元。

1.3课题主要研究内容
为通过变频技术改造以解决给粉机控制方式落后影响生产的主要问题,本课 题将进行以下研究内容:

(1)给粉调速控制方式研究。基于对滑差调速和变频调速原理的研究,对比
两者的控制方式和节能效果,为给粉机变频改造提供技术上的保证。

(2)变频技术电磁干扰研究。分析变频器输入侧和输出侧产生谐波的机理, 以及电机轴电流产生的机理,研究电磁干扰的主要传播方式,为避免电磁干扰影
响变频调速系统的运行提供理论研究基础。

(3)变频抗干扰对策研究。通过分析、研究变频器电磁干扰机理和传播方式,
研究出适合火电厂变频技术应用的抗干扰对策,设计优化滤波器技术参数,研究

DCS和变频系统接地方式和旋工布线工艺,确定能提高抗干扰能力。 (4)给粉变频调速系统应用.基于DCS系统,对给粉控制进行变频改造,
设计适用于火电厂给粉调速的控制系统,提出完善的抗干扰方案,从而解决落后

的滑差调速方式影响生产效益的局面,为企业利润最大化提供技术保障。

1.4课题的研究目的及意义
当前我国的电源结构中火电发电量约占80%,加强火电厂节能工作是提高其 经济效益的有效手段。然而目前我国火电厂中的主要用电设备存在较严重的电源 浪费现象,如采用滑差调速,其调节方式其驱动电机输出功率随着负荷及时调整, 造成很大部分能量消耗在节流损失中。传统滑差调速的方法主要由电磁转差离合

器来实现,这种方法存在运行不可靠、效率低、精度差、存在严重非线性等缺点。


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解决上述问题的最有效手段是利用变频技术对这些设备的驱动电源进行变 频改造,这不仅克服了电磁离合器等设备非线性严重、延迟大等难以控制的问题, 还具备效率高、调节精度好、运行可靠和自动化程度高的优点,是适应现代企业 生产节能降耗的发展趋势,是火电厂经济运行、节能降耗、提高上网竞争能力的
良好途径。

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第2章给粉调速控制方式研究
2.1滑差调速控制
2.1.1主回路控制原理分析
如图2-1所示是给粉机电气主回路图

图2-I

给粉电机电动回路和接触器线圈回路

其电路原理是接触器由KK控制开关控制,KK开关打“合闸”位置,其(5)(8)

接点接通,Q毋0回接点接触器线圈得电:同时接触器Q辅助接点自锁,短接KK开 关的(5)(8)接点,确保KK开关断开导致(5)(8)接点断开后,接触器Q线圈始终得 电。接触器O主接点接通电源,电机启动,并带有RJ热继电器保护。
给粉机灯光回路如图2.2所示:

+SM

+tM

图2-2给粉电机直流控制回路图

可见,操作KK开关至“预合”位置,(9)0毋接点接通+SM(直流闪光母线), 绿灯LD闪光,说明具备合闸条件;操作KK开关至“合闸”位置,接触器Q接

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通,常开接点闭合,06)0∞接点接通+KM(直流控制母线).红灯HD亮起,说
明接触器Q吸合,电机运行:相反,KK开关打至“预分闸”位置,红灯闪光,打 至“分闸后”位置,绿灯亮起,说明接触器Q断开,电机已停下。

由此可见,接触器Q是电机启动和停运的重要电气元件,一旦接触器Q线圈 因为某种原因失电,将会导致电机停运,引起锅炉事故:同时,起监视电机运行
状态的是红灯和绿灯,根据多年运行经验,由于灯本身长期发热以及环境的高温、

潮湿、振动等原因造成频繁损坏。

2.1.2调速回路原理
我厂给粉电机采用的是J勿吖型电磁调速电动机,在结构上由异步电动机、电 磁耦合和测速发电机部分组成。异步电动机采用型号为Y100LF-4,转速恒定约为
1490转/分,电机受电启动后定速旋转并带动电磁线圈转动,由调速控制回路加到

电磁线圈上的直流电压大小控制电磁耦合机械部分转动,转速由测速发电机反馈
到控制回路里,从而达到平滑控制输出转速的目的。因为电动机和输出轴之间存 在平滑的转速差,所以此控制方式一般被称为滑差调速。

在滑差控制回路中,DK.2型控制器是JZrY型电磁调速电动机的直接控制单 元,可与一台JZTY电机连接,通过面板上的主令电位器对电机进行宽范围的无极 调速,也接受0-10V的自动信号对其进行自动调速,可实现手,自动的无扰切换,
转速可由面板表头直接读出。

黠翟
电压童 缔速曩

嘲 j生电{凡
电琉置 #逸表

图2-3

DK02型控制器电路原理图



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从图2.3可知,DK.2型控制器的电路是由可控硅整流电路、脉冲移相触发电 路、手动给定信号电路和速度负反馈电路等环节组成。 控制器的主回路是由一只5A可控硅构成的半波可控整流电路,压敏电阻(浪

涌吸收器)RV和由R1CI组成的吸收电路各在电源侧及元件侧对可控硅起到过电
压保护作用,D1为续流二极管。


给定电路信号是由D8一D1 l组成的整流桥C3、C4、R7组成的Ⅱ式滤波器和稳 压管WZ2、WZ3几部分组成,速度负反馈电路是由D12.D17、C5及反馈电位器 W2等组成,脉冲触发电路采用了由单结晶体管组成的驰张振荡器。 改变G1基极上的控制信号,便改变Gl的Ie,于是就改变C2上电压Uc2上 升的速度,改变Uc2达到Up的时间.从而改变触发脉冲的相位,改变可控硅的导

通角,上述各点电压波形如图2.4所示。

图2-4

各点电压图

2.1.3交流接触器低压跳闸机理分析
交流接触器广泛用于电力传动系统中,作为频繁或分断带负荷电路的控制电 器,交流接触器为电动操作,所以适合于远距离操作及自动控制系统。交流接触 器由电磁系统、触头系统、灭弧装置及机构附件组成。

电磁系统包括电磁线圈和静、动铁芯。静铁芯在下、动铁芯在上,电磁线圈
在静铁芯上。当电磁线圈通电时,静、动铁芯即被吸合。触头系统包括一组三相

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主触头及两个常开,两个常闭辅助触头。主触头和动铁芯连在一起。主触头为双

断121,用来接通主电路。辅助触头则接在控制回路中,以实现各种控制方式。
当需要接通主电路时,先接通交流接触器的电磁线圈,电磁线圈通电后,产

生磁力将动铁芯吸合,连在动铁芯上的动触头随之接通电路。当电磁线圈断电后,
吸力消失,动铁芯由于弹簧的作用力而分离,触头随之切断电路。

国标规定:交流接触器工作电压有一定的范围,当电源工作电压在额定值的 85~105%时,能保证可靠地吸合,.当电源电压低于额定值的40%时.能可靠释放,
在额定值的40~85%时,则动作不作保证I)j。

我公司变压器低压侧的电压出现瞬间突降,导致交流接触器铁芯的电磁吸合 力下降。由于部分交流接触器铁芯的电磁吸合力小于反作用弹簧的反作用力,故
主触头自动释放电动机停运。而另一部分交流接触器铁芯的电磁吸合力,仍大于 反作用弹簧的反作用力(也就是说事故时交流接触器线圈的端电压,高于该接触 器的最低吸合电压),所以主触头仍维持闭合状态,受其控制的电动机继续运行。 所以,当电气网络发生接地故障时或者瞬间低电压时(电网中经常发生),故障相 的电压瞬间降到零,当故障相为A或C相时,则接触器Q线圈失电,由原来保持

吸合的状态转为释放,正在运行的主闭合接点打开,断开了电机主回路电源:8台
给粉电机停运,造成燃烧着的锅炉灭火,锅炉重新点火时需要先投入重油助燃, 等到锅炉燃烧稳定后,再开启给粉电机输送煤粉燃烧。

2.1.4滑差控制机械特性
发电厂的给煤、给粉调节及其他许多地方都采用传统的滑差电机进行控制即 电磁转差离合器调速方式。电磁转差离合器由主动部分电枢和从动部分感应子两 部分组成。电枢和感应子存在0.5ram左右的气隙。其调速功能是通过调节感应子 励磁电流的大小,改变气隙感应强度B,从而改变感应子从动轴的电磁转矩M来 实现的,其关系式为: M=2B?2L?2R?2P?(W1.w2),zP
(2?1)

式中B——气隙磁感应强度 L——电枢有效长度 R——电枢平均半径

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ZP——磁极下涡流路径上的等效阻抗 P——感应子磁极对数 w。——电枢旋转角速度 W2——感应子旋转角速度
电磁转差离合器调节励磁电流后的机械特性见图2-5所示:

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转矩M 图2-5 电磁转差离合器调速机械特性

可见,在某一恒定转矩M下,励磁电流发生变化时,转速从nb变到Ila,调速 范围很小,且非线性严重,励磁电流损失都转化为热能。

2.2变频调速控制
2.2.1变频调速原理分析
变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。常用三相 交流异步电动机的结构为图2-6所示。定子由铁心及绕组构成,转子绕组做成笼型,

如图2-6(b)所示,俗称鼠笼型电动机。当在定子绕组上接入三相交流电时,在定 子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场,它与转子绕组产生相对运动,使转
子绕组产生感应电势,出现感应电流,此电流与旋转磁场相互作用,产生电磁转

矩,使电动机转动起来16J。

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(a)

(b)

图2?6三相交流异步电动机的结构图 (a)定、转子剖面 ㈣转子绕组

I一机座:2一定子铁心;3一定子绕组: 4一转子铁心:5一转子绕组 电机磁场的转速称为同步转速,用nl表示:
nl=60Vp


(2?2)

式中fL一三相交流电源频率,一般为50I-Iz;

p’——磁极对数。
由式(2.2),当p=l时,nI=3000r/min;p=2时,nl=1500dmin。可见,磁极 对数P越多,转速n。越慢。然而,电机转子的实际转速n比磁场的同步转速i11要 慢一点,所以称为异步电机,这个差别用转差率S表示:
S=(nl-n)/nl (2?3)

当加上电源转子尚未转动瞬间,n=O,这时S=I:起动后的极端情况n=nl,则
S=O,即S在0~1之间变化。一般异步电机在额定负载下的S=(1~6)%。 综合式(1)和式(2)可以得出:
n=60f(1一S)/p (2-4)

可以看出,对于成品电机.其磁极对数P已经确定,转差率S变化不大,则 电机的转速n与电源频率f成正比,因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同 步转速,进而达到异步电机调速的目的。 但是,为了保持在调速时电机的最大转矩不变,必须维持电机的磁通量恒定? 因此定子的供电电压也要作相应调节。变频器就是在调整频率(VariableFrequency)

的同时还要调整电压(VariableVoltage),故简称wVF(装置)a通过电工理论
分析可知,转矩与磁通量(最大值)成正比,在转子参数值一定时,转矩与电源 电压的平方成正tE。

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2.2.2变频节能效果研究
电磁转差离合器调速常用于低压电机中,高压电机领域中传统的调速方式是采 用液力耦合器。这种方法调速能耗大、效率极低,其原因是存在严重的耦合损失和

转差损失。耦合损失是由于液压油内摩擦造成的,转差损失是由于调速时输出轴与 输入轴存在转速差造成的,这种损失随转速差的增加而上升,即rl技率=l?S,其中s为 转差率,两部分损失最终都变成热损失。此外,这种调速方法还有如下缺点: (1)受执行机构和液压机构限制,调速精度差,同时还存在严重非线性,只在15%~ 85%间是调节线性区,即使在这区间仍存在增速与减速间逆差间隙,造成自动系统很
难投入运行。 (2)运行不可靠,国内已有多起由于液力偶合器叶片破损造成事故的先例,其主

要原因是偶合器制造精度难以提高。另外,采用该调速方法需要一整套油系统,维护 工作量很大f71。 变频应用后给粉电机单耗下降很大,效果相当明显,给粉单耗对比如图2—7
所示:

图2.7

变频应用前后给粉电机单耗比较

上述两种电磁转差调速改为变频调速后,理论上调速范围为0%~100%,且线性

度很好。变频设备本身的电力损耗很低,因而无论在轻载还是满载都有很高的效率?
此外其运行可靠性、调节精度及线性度都是以前各种调速方法无法相比的。

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2-3本章小结
分析滑差调速的基本原理可知:滑差电机受电启动后定速旋转并带动电磁线

圈转动。由调速控制回路:IIIiI电磁线圈上的直流电压大小控制电磁耦合机械部分 转动,转速由测速发电机反馈到控制回路里,从而达到平滑控制输出转速的目的。 经过对滑差调速机械特性的研究,发现这种控制方式,非线性相当严重,励磁电 流损失都转化为热能,而且电动机和输出轴之间存在转速差,,所以此控制方式耗 能大、调速精度差、运行不可靠。
通过研究变频技术原理,可知:电机的转速n与电源频率f成正比,改变输入

电源的频率就可以改变电机的同步转速,进而达到异步电机调速的目的。为了保
持在调速时电机的最大转矩不变,必须维持电机的磁通量恒定,因此定子的供电 电压也要作相应调节。 通过给粉机两种控制方式的单耗对比,可明显的看出变频控制方式在调整精

度、运行可靠性、线性度方面远远优于滑差调速方式。

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第3章变频器应用中的干扰
3.I变频器应用中的干扰
在电力电网中,存在大量非线性负载,引起电网电流波形不再是正弦波,火电 厂的电磁干扰日益严重。系统中的主要谐波源可分为两类:含半导体的非线性元

件,如各种整流设备、变流器、交直流换流设备、PWM变频器等节能和控制用的
电力电子设备:含电弧和铁磁非线性设备的谐波源,如日光灯、交流电弧炉、变 压器及铁磁谐振设备等。这使得电力电子装置中的输入电流波形发生严重畸变。 谐波干扰有时能直接造成变频调速和DCS系统的损坏,从而导致给粉机控制失灵, 造成锅炉灭炉等生产事故的发生。因此,如何分析火电厂中变频系统受到的电磁 干扰是研究变频系统抗干扰问题的基础,是实际应用中不可忽视的重要内容。 总结变频调速系统应用一年来,电磁干扰影响电力设备运行的具体表现有:

(1)高次谐波对电动机的影响是增加损耗,并且造成电动机转子振动:而它
对电容的影响更为突出,含有高次谐波的电压加至电容两端时,由于电容器对高 次谐波的阻抗很小,所以电容器很容易发生过负荷导致损坏。在给粉变频系统中 使用原异步电动机的一年中,电机运行状况差,温升较大,轴承损坏频繁。

(2)高次谐波电流通过变频器,可使变频器的损耗明显增加,从而变频器出
现过热,效率降低,缩短寿命。据测算,我厂变频器室内温升高于相临配电室平 均8℃以上。

(3)高次谐波流过给粉电缆,造成内耗加大,电缆发热,缩短了电缆的使用 寿命。根据我厂变频调速应用情况看,发生过变频器输出到电机的负荷电缆发生
绝缘损坏的状况。 (4)高次谐波的干扰,往往还会导致供电空气开关误动作,造成电网停电, 严重影响用电设各的正常工作。同时,高次谐波对通讯设备也产生干扰信号。 (5)电网的高次谐波使电网波型严重畸变,对用电质量产生影响:同时造成

电网电压降很大、电网功率因数很低,大功率用电负荷和远离发电厂的用户在启
动设备时电压降特别明显¨J。

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3.1.1谐波的危害分析
高次谐波对电网的危害有: (1)增加了无功功率消耗和铜损: 在电流波形畸变的情况下,电力系统的视在功率应为: S2=P2+Q2+r2 式中
f3-11

S——视在功率(VA); P——有功功率(w);

o一无功功率(VA):
T-一畸变功率(、,A)。
由于谐波电压和电流的频率不同,其相角差随频率差作周期性交化,累计的功
率之和为零,所以畸变功率具有无功功率性质。

(2)谐波电流将使电力系统中的元件如电动机产生谐波铜耗、谐波杂散损耗 及谐波铁耗。谐波损耗的存在使得电动机总损耗增加,温升增加及效率降低。电
动机将多吸收无功功率,导致功率因数下降。

(3)含有高次谐波的电压加在电容器两端时,由于电容器对高次谐波阻抗很 小,谐波电流加在电容器的基波上,使电容器的总运行电流增大,温升提高,很 容易发生过负荷以至损坏,导致使用寿命缩短。同时,谐波对电容器参数匹配产
生影响,有可能在电网中造成高次谐波谐振,使故障加剧。

(4)由于谐波引起控制系统误差造成触发角偏移及电流、电压变化率过高,
引起晶闸管故障,甚至引起变流装置、自动控制装置的控制失灵和误动作,进而 造成系统故障。 (5)持续的谐波含量过高,将加速变压器、电动机、电力电缆的绝缘老化而

使其容易被击穿。某些情况下,特别在瞬态过程中,还可能引起谐振过电压f9】。
我厂的热网控制室地板下即为发电机引出线,造成控制室内与工业控制计算机 配套的阴极射线管彩色显示器无法正常工作,画面始终有强烈抖动,不停产生滚

动条纹,使运行人员无法正常监视计算机画面。该现象是由于强烈的电磁干扰对 阴极射线管发射电子束的强度及方向产生了影响。后将阴极射线管彩色显示器更 换成为液晶彩色显示器,由于液晶显示器的激活对电磁干扰不敏感,故显示器画

山东大学工程项士学位论文 面显示正常。

(6)谐波电压和谐波电流通过线路间的感应耦合,会在通讯线路中感应出相 当大的谐波电压,从而对通讯线路造成干扰,影响通信网络的正常工作。

3.1.2干扰产生的原因研究
非正弦波可用傅里叶级数分解成为一个直流量,基波正弦量和一系列频率为基
波频率整数倍的高次谐波正弦分量之和。对目前三相交流发电机组发出的电压而 言,认为基波为正弦波,即波形中基本无直流量和高次谐波分量。要注意,电力 系统所指的谐波是稳态的工频整数倍数的波形,电网暂态变化诸如涌流、各种干

扰或故障引起的过压、欠压均不属谐波范畴;谐波与不是工频整倍数的次谐波(频
率低于工频基波频率的分量)和分数谐波(频率非基波频率整倍数的分数)是有 区别的【‘01。

谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时,与所加的电
压不呈线性关系,就形成非正弦电流,从而产生谐波。

谐波频率是基波频率的整倍数,根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理 证明,任何重复的波形都分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦
波分量。谐波是正弦波,每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波区分为 偶次谐波与奇次谐波,第3、5、7次编号的为奇次谐波,而2、4、6、8等为偶次 谐波,如基波为50Hz时,2次谐波为100Hz,3次谐波则是150Hz。一般地讲, 奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中,由于对称关系,

偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在。对于三相整流负载,出现的谐波电 流是6n次谐波,例如5、7、1l、13、17、19等,变频器主要产生5、7次谐波。
谐波示意图如图3-1所示:

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么j>篓泣一,\3谐泣 。≥三次谐谴…




图3-I谐波示意图

谐波主要由谐波电流源产生:当正弦基波电压施加于非线性设备时,设备吸收 的电流与施加的电压波形不同,电流因而发生了畸变,由于负荷与电网相连,故 谐波电流注入到电网中,这些设备就成了电力系统的谐波源…J。

3.2电磁干扰的机理分析
3.2.1外部电网的干扰分析
电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源来干扰变频器。电网中存在大量 谐波源如各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备,非线性负载及照 明设备等。这些负荷都使电网中的电压、电流产生波形畸变,从而对电网中其它

设备产生危害的干扰。变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后若 不加处理,电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器。
当供电网络内有容量较大的晶闸管换流设备时,由于晶闸管总是在每相半周期

内的部分时间内导通,容易使网络电压出现凹口,波形严重失真。它使变频器输
入侧的整流电路有可能因出现较大的反向回复电压而受到损害,从而导致输入回 路击穿而烧毁11 21。 电力部门对用电单位的功率因数有一定的要求,为此,许多用户都在变电所采 用集中电容补偿的方法来提高功率因数。在补偿电容投入或切出的暂态过程中, 网络电压有可能出现很高的峰值,其结果是可能使变频器的整流二极管因承受过 高的反向电压而击穿。



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3.2.2自身产生的干扰分析
变频器的主电路一般为交一直一交组成,外部输入380V/50Hz的工频电源经三相

桥路不可控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
为频率可变的交流信号。在整流回路中,输入电流的波形为不规则的矩形波,波 形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波,其中的高次谐波将干扰输入供电系统。 在逆变输出回路中,输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形,对于GTR

大功率逆变元件,其PWM的载波频率为2~3kHz,而IGBT大功率逆变元件的
PwM最高载频可达15KHzLI“。

在输入侧产生谐波机理:由变频器,晶闸管供电的直流电动机,无换向器电动 机等凡是在电源侧有整流回路的,都将产生因其非线性引起的谐波。在三相桥式 整流回路中,输入电流的波形为矩形波,波形按傅立叶级数分解为为基波和各次
谐波,通常含有6n+l(n=l,2,3…)次谐波,其中高次谐波干扰由供电系统输入。

在输出侧产生谐波机理:在逆变输出回路中,输出电压和输出电流均由谐波。
对于PWM控制的变频器,只要是电压型变频器,其输出的电磁波为矩形波。其中

谐波频率的高低与变频器调制频率有关,调制频率低(1.2KHz),人耳听得见高次谐 波产生的电磁噪声;若调制频率高(如IGBT变频器可达20Kl-Iz),人耳听不见,但
高频信号客观存在。另外,高次谐波电流还通过电缆向空间辐射,干扰附近电器 设备。

3.3干扰的传播方式研究
变频器有很多优点,但其输入和输出电流中,都含有谐波成分,形成对其他设 各的干扰信号。其产生的高次谐波会干扰电源、降低功率因数、干扰无线电设备, 产生躁声、振动等。变频器也能产生功率较大的谐波,由于功率较大,对系统其 它设备干扰性较强。

当变频调速系统的容量足够大时,所产生的高频信号将会影响无线电设备的正
常接受:影响周围机器设备的正常工作,使他们因接受错误信号而产生误动作, 或影响传感器电路的检测而引起错误判断II”。

其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的,干扰信号的传播方式主要有:空中
20

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辐射方式、电磁感应方式、静电感应方式、线路传播方式。具体表现为:首先对周 围的电子、电气设备产生电磁辐射;其次对直接驱动的电动机产生电磁噪声,使得
电机铁耗和铜耗增加:并传导干扰到电源,通过配电网络传导给系统其它设备; 最后变频器对相邻的其它线路产生感应耦合,感应出干扰电压或电流。同样,系

统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。 3.3.2.1电路耦合方式
通过电源网络传播。由于输入电流为非正弦波,当变频器的容量较大时,将使

网络电压产生畸变,影响其他设备工工作,同时输出端产生的传导干扰使直接驱
动的电机铜损、铁损大幅增加,影响了电机的运转特性。显然,这是变频器输入 电流干扰信号的主要传播方式【1 51。

3,3.2.2感应耦合方式 当变频器的输入电路或输出电路与其他设备的电路挨得很近时,变频器的高次 谐波信号将通过感应的方式耦合到其他设备中去。感应的方式又有两种: a、电磁感应方式,这是电流干扰信号的主要方式: b、静电感应方式,这是电压干扰信号的主要方式。

3.3.2.3电磁幅射方式 以电磁波方式向空中幅射,这是频率很高的谐波分量的主要传播方式。

3.4轴电流的机理分析
3.4.1低频轴电流机理
轴电流产生的原因是由于采用了变频技术,或者电机制造中产生的不对称,
从而在电机转轴两端产生轴电流。这些轴电流往往频率不高,属于低频轴电流。

~般而言,交流传动系统都会产生轴电流,但是大多数系统的轴电流幅值较小, 没有达到危害程度。如果系统的轴电流较大,可能会损坏电机轴承,甚至齿轮箱
轴承。因为滚动轴承的油膜一般比较薄,对轴电压比较敏感,轴电流流过滚动体

山东大学工程硕士学位论文 与内外圈的细微接触点时,如果电压比较高,内外圈表面的接触面就会出现击穿

的痕迹。一般要求滚动轴承的轴电压小于300mV。

3.4.2高频轴电流
现代电机设计和制造工艺几乎已经消除了低频轴电流,但是现代交流传动系 统由于采用PWM变频供电方式和使用IGBT等快速切换元件,所以在轴承上会产
生高频电流脉冲。如果这些脉冲的能量足够高,就会损坏轴承。

典型三相正弦电源是平衡的,即三相的矢量和总是等于零。由于前述PWM电 源存在谐波,所以PWM电源的三相输出电压的矢量和不为零,导致中性点的电压 不等于零,这个电压定义为共模电压源。
任何时候,当两个导体通过绝缘体隔离开后就产生电容。例如:电缆的相线

与PE线之间有PVC绝缘电容,所以电机绕组与外壳有镀层和片间绝缘有电容。
电缆间电容,尤其是电机内部的电缆问电容非常小,小电容意味着对低频的高阻 抗,阻止低频杂散电流。然而对于高频电流,即使电机内电容很小,也会产生一

个低阻抗通道使电流通过Il…。 每次三相逆变输出的一相由一种电压状态切换到另一种状态时,会产生一个
正比于该电压的电流,通过输出电路所有元件的接地电容流向大地。电流通过接 地导体和逆变器的杂散电容流回电源。由于系统不可避免地存在寄生电容,所以 在较高的dv/dt下,高频电压会产生容性寄生电流。

高频轴电流有几种形式,有高频循环电流、轴对地电流、容性放电电流等。
(1)高频循环电流 定子对地电压含有大量谐波,由于定子与机座之间存在寄生电容,所以存在容 性电流,这些容性电流在定子上生成高频磁通,并在电机轴的两端感应出高频电 压。如果电压足够高,能够克服轴承油膜的阻抗,就会产生轴电流。这个电流在

由轴、轴承、定子机座之间形成回路,称做高频循环电流。在这种情况下,电机
看作是一个变压器,流经定子外壳的共模电流看作是一次侧,并在转子电路,即

二次侧,感应出循环电流。该轴承电流被认为最具危害性。电流幅值取决于电机
的额定功率、交流传动功率元件的du/dt和直流电压,典型峰值为3~20A¨“。

山东大学工程硕士学位论文 由于齿轮箱对地也有寄生电容,所以还存在另一种循环电流,它是流经齿轮

箱轴和轴承的电流,该电流会对机械设备构成威胁。
(2)轴对地电流


泄露到定子机座的电流形成轴对地电流,而任何流回去的回路都含有阻抗,

因此电机机座的电压相对于电源的地电压升高。如果电机轴是经过齿轮箱接地的,
则电机轴承的电压升高。如果电压足够高,能够克服电机传动侧轴承油膜的阻抗。 电流就会流过传动侧轴承。该电流就是高频轴对地电流。 (3)容性放电电流 共模电压的内部电压分量在电机内部杂散电容上会产生轴电压,该电压可能

高到会产生高频轴电流脉冲。如果电机的轴没有经过齿轮箱接地,电机机座是标准 接地的话,则容易形成容性放电电流。对于大型交流电机,由于电流较大,所以感 应的轴电流也比较大,据有关文献说明,在轴承处可达数A/mm2,所以,极易使
轴承损坏。

3.5本章小结
在电力电网中,存在大量非线性负载,引起电网电流波形不再是正弦波,火电 厂的电磁干扰日益严重。系统中的主要谐波源可分为两类:含半导体的非线性元 件,如各种整流设备、交流器、交直流换流设备、PWM变频器等节能和控制用的 电力电子设备;含电弧和铁磁非线性设备的谐波源,如日光灯、交流电弧炉、变 压器及铁磁谐振设备等。这使得电力电子装置中的输入电流波形发生严重畸变, 谐波干扰有时能直接造成变频调速和DCS系统的损坏,从而导致给粉机控制失灵,
造成锅炉灭炉等生产事故的发生。

本节分析了变频器输入侧和输出侧产生谐波的机理,从低频和高频两个方面分 析了轴电流产生的机理:电磁干扰的传播方式主要有:空中辐射方式、电磁感应 方式、静电感应方式、线路传播方式。电磁干扰的具体表现为:首先对周围的电子、 电气设备产生电磁辐射;其次对直接驱动的电动机产生电磁噪声,使得电机铁耗和 铜耗增加:并传导干扰到电源,通过配电网络传导给系统其它设备:最后变频器 对相邻的其它线路产生感应耦合,感应出干扰电压或电流。



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第4章变频抗干扰对策研究
由于电力系统中存在着各式各样的谐波源,使得高次谐波的干扰成了当前电

力系统中影响电能质量的重要因素,各国对电力电网电压正弦波形畸变的极限值
都有明确的规定,要求用户对接入电网的设备产生的谐波应采取一定措施,进行

抑制。而火电厂对于电压水平和谐波干扰的要求更高,综合变频器自身产生的和
受到外界的干扰机理,由于给粉变频容量较小。以变频器受到外部电网的干扰为 主,所以抗干扰总体思路有三个方面:其一是抑制和消除干扰源:其二切断干扰


对系统的耦合通道:其三是提高系统自身抗干扰能力。

4.1干扰源的屏蔽
4.1.1串接隔离变压器
这是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来,使它们不发生电的联 系。在变频调速传动系统中,具体方法是在变频器的电源线主回路上串接隔离变
压器,从源头上减少传导干扰【18】。

4.1.2屏蔽干扰源
屏蔽干扰源是抑制谐波干扰最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽,其电

磁干扰不会泄漏:但是输出线(电缆)最好用钢管屏蔽,特别是以外部信号控制
变频器时,要求信号线尽可能短(~般为20cm以内),且信号线采用双芯屏蔽,并 与主电路线(AC380V).及控制线(AC220V)完全分离,不可敷设在同一配管或线槽 内,周围电子敏感设备线路也要作屏蔽措施。为使屏蔽干扰源有效,屏蔽罩必须 可靠接地。

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4.2滤波器的设置
4.2.1滤波器的分析
4.2.1.1无源滤波器
?

无源滤波器是利用LC谐振原理,人为地造成一条串联谐振支路,为欲滤除的 主要谐波提供阻抗极低的通道,使之不注入电网。根据其电容器与电抗器的联接 方式不同,主要常用的有单调谐滤波器和高通滤波器。
(1)单调谐滤波器 它的结构和阻抗特性如图4.1所示。
z/R
8 C

l 00


\ 6








上T.、岬审
(a)


—0.04—0.02 0



//025



,二,’二一.30 二甾==:一.20
0.02 O.04

(b)

图4-1单调谐滤波器 (a)结构 (b)y:f(b)特性

单调谐滤波器的谐振次数和品质因数分别为:

n=0x c。|Xu

(4.1)
(4—2)

Q,=≈x。fRh
谐波阻抗为: zh=Rh+j(nxu—X c、}呐a RmQ+2jcyQ.) 式中

“一3)

Xcl——电容器组的基波容抗(Q); xLl——电抗器的基波感抗(Q):

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X晡一电抗器在13.次谐波时的感抗(O):
R缸.一滤波器在n次谐波时的电阻(o);
6——电网角频率相对偏差(%)。
由于系统频率的波动、滤波电容器及电抗器有关参数制造时的偏差、电抗器的 调节偏差,以及环境温度和负荷的变化,滤波器的实际谐振频率可能与其设计值
不完全相同,即在偏离设计值的一定范围内变化。一般情况下,单调谐滤波器在 Qn=1/2 6时有最好的滤波效果,即注入电网的谐波电流最小【191。 由图4-l(b)可知,单调谐滤波器的滤波效果与6和Q。有直接关系。Q。越大,

曲线越尖锐,但越容易失谐,滤波效果下降越侠;Q。过小时,滤波效果在较大范 围内变化不大,但效果较低,此时损耗也较大.所以,Q。和6的确定要经过多种 方案比较.并兼顾各个指标后选取。 (2)高通滤波器 它的结构和阻抗特性如图4—2所示。





4 3



Q=5








}一0渊--3







{a)

(b)

圈4-2高通滤波器 (a)结构

(b)阻抗频率特性

对于高通滤波器,由于其电抗器L与电阻R并联,有~个较低的阻抗频率范
围。当频率低于某一截止频率t'o(f0=l/2


RC)时,由于容抗增加使滤波器阻抗明

显增加,低次谐波电流难于通过:当频率高于f0时,由于容抗不大,总的阻抗也
变化不大,形成一个通频带。

与单调谐滤波器相反,其品质因数Q。=RfdXLn。这是因为在高通滤波器中,电

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阻R与电抗器L并联,电阻越大,调谐越尖锐:而在单调谐滤波器中,电阻R与
电抗器L串联,电阻越小,调谐越尖锐【201。

无论是单调谐滤波器还是高通滤波器,品质因数是标志调谐锐度的指标。对于
高通滤波器,Q。值一般取l~5。由图4-2(b)看出,即使在调谐频率附近,频率偏

差也影响不大。高通滤波器截止频率应选择靠近要滤的主要谐波,否则其损耗将
大大增加。

对于某次谐波,要达到同样的滤波效果,采用单调谐滤波器将大大减小容量, 但高通滤波器有综合滤波功能,它同时滤除若干次高次谐波,减少滤波电路数。
LC滤波器结构简单,吸收谐波效果明显。但由于其结构原理上的原因,在应 用中存在着难以克服的缺陷:

(1)仅对固有频率的谐波有较好的补偿效果,当谐波成份变化时补偿效果差;
(2)补偿特性受电网阻抗的影响很大;

(3)在特定频率下,电网阻抗和LC滤波器之间可能会发生并联谐振,使该频率 的谐波电流被放大:或者发生串联谐振,使电网侧可能存在的谐波电压向LC滤波
器注入较大的谐波电流:

(4)当接在电网中的其他谐波源未采取滤波措施时,其谐波电流可能流入该滤波
器,造成过载【211。

4.2.1.2有源滤波器 有源滤波器的工作原理如图4—3所示。

④—藿≈
囊详连波器


盘矗诗渡嚣

卜 旷

【..—............_J

一——
’、J
。 一





图4-3有源滤波器工作原理图

27

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负载电流IL按傅里叶级数可展开为:
It=∑Insin(n∞t+0。)
=Ilcos 0 lsin(I)t+Iisin 0
Icos

cot+5:Insin(n(^)t+0 n)

(4—4)

=ljp+IIq+In

式中Ii。——负载基波有功电流(A): II。——负载基波无功电流(A): I。——高次谐波电流(A)。
将滤波器并联连接在谐波发生源和电源之间,则:I。=IL+IF 控制有源滤波器的输出电流IF=一I。,电源侧电流则为只含基波分量的正弦波形。 即:有源滤波器产生一个与负载谐波电流幅值相等、相位相反的电流注入负载电

流IL流经的线路中,将负载谐波抵消,使之不流入电网。由式(4q可知,有源滤
波器还可同时补偿无功,即:IF=一Ilq.I。,Is=.Ilp,从而提高系统功率因数【叫。

有源滤波器的基本结构由谐波电流检测、控制电路、PWM逆变器、直流电源
及注入变压器等部分组成,分为电流型和电压型两种。电流型有源滤波器储能元 件为电感,由于其运行损耗较大,对储能电感的充电控制较复杂:电压型有源滤 波器储能元件为电容,具有损耗小,易于控制等优点而得到普遍应用。电压型有

源滤波器工作过程是由电容器构成储能直流电源,逆变器根据检测信号产生PWM
输出电压,将储存在电容器中直流电能转变成所需频率和波形的补偿电流,经隔 离变压器注入线路中。PWM逆变器同时兼有向电抗器或电容器提供直流电能的功 能。这个过程直接受谐波电流补偿量检测及控制电路的控制。 有源滤波器具有以下特点: (1)本身是一个谐波电流源,它的接入对系统阻抗不会产生影响: (2)系统结构发生变化时,本身不存在产生谐振的危险,不影响补偿性能:

(3)不存在过载问题。当系统谐波电流增大超过装置的补偿能力时,滤波器仍
可发挥最大补偿作用: (4)对系统中各次谐波均能有效抑制; (5)一台装置即可实现对多次谐波和基波无功电流的实时动态跟踪补偿。 但是,与LC滤波器相比,有源滤波器的结构相对复杂,运行损耗较大,设备 造价高。由于有源滤波器本身是以开关方式工作,在补偿谐波的同时,也会注入

山东大学工程硕士学位论文 新的谐波,但其开关频率很高(达3kHz以上),谐波频率高,幅值低。有源滤波

器可用于抑制负载为周期性变化的高次谐波和Lc滤波器不能抑制的部分高次谐波
【23】


4.2.1.3无源与有源滤波器的比较 有源滤波器是一种向系统注入补偿谐波电流,以抵消非线性负荷所产生的谐 波电流的能动式滤波装置。它能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿,且补偿
特性不受系统阻抗影响。其结构相对复杂,运行损耗较大,设备造价高:在补偿 谐波的同时,也会注入新的谐波。 无源滤波器(又称LC滤波器)是利用LC谐振原理,安装在电力电子设备的交

流侧,由电力电容器、电抗器(常用空心的)和电阻器适当组合而成的滤波装置
构成谐振回路,、当回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时,即可阻止该

次谐波流入电网。除起滤波作用外,它还能补偿无功功率。LC滤波器结构简单、 运行可靠、维护方便,吸收谐波效果明显;但仅对固有频率的谐波有较好的补偿 效果;且补偿特性受电网阻抗的影响很大。在特定频率下,电网阻抗和LC滤波器
之间可能会发生并联谐振或者串联谐振,引发事故。当谐波源增大时,滤波器负 担随之加重,以至可能因谐波过载不能运行等。
表4-1无源滤波与有源滤波对照表


无源滤波 有源滤波

原理

优点

缺点

结构简单、运行可 利用LC谐振原 理,阻止该次谐波 流入电网 靠、维护方便 结构简单,吸收谐波 效果明显 动态跟踪补偿t且补 偿特性不受系统阻 抗影响

仅对固有频率的谐波有较好 的补偿效果 补偿特性受电网阻抗的影响 很大。可能会发生并联谐振或 者串联谐振 结构相地复杂,运行损耗较 大,设备造价高 在补偿谐波的同时可能注入 新的谐波

注入补偿谐波以 抵消谐波电流。

在滤波方案选择时,对于主要的谐波,宜用单调谐滤波器;而对若干较高次

谐波,且谐波电流值不大,宜选用一组高通滤波器。当结合所需无功{i偿容量考

山东大学工程硕士学住论文

虑时,在这种情况下,用几组单调谐滤波器加一组高通滤波器组合起来RA:t,较经

济可行的方案。
由于LC滤波器的滤波效果取决于电源阻抗和滤波器内部阻抗的相互关系,当 滤波器并联在电路中,其本身就是阻抗因素.容易受电源已有高次谐波畸变的影 响。因此,在设计时应充分考虑以下几方面因素:

(1)电源的阻抗条件。根据系统接线,变压器参数或拟装设滤波器处母线电压
及短路容量,计算系统的谐波阻抗:电网频率波动范围和滤波电容器及电抗器的

调节偏差等因素构成的等值频率偏差: (2)在工频范围内,滤波器和电容器有着相同的功能,协调系统的超前相位容 量,从而有效减小滤波器容量,降低滤波器造价;电网已有高次谐波电压对滤波
器可能造成的过载影响:变流器负载所产生的高次谐波量,确定滤波器的定额: (3)高次谐波抑制指标。根据《电能质量公用电网谐波》的规定,。确定各次谐

波电压畸变率和注入相应电压等级电网的谐波电流允许值【241。

4.2.2

EMI电源滤波器的设计
EMI电源滤波器是指安装在设备的电源入口处的一个低通滤波器,这个滤波

器只容许工作频率(50Hz)通过,而对较高频率的干扰有很大的损耗。
EMI电源滤波器对干扰噪声的抑制能力用插入损耗I.L(InsertionLoss)来衡量,

插入损耗指没有滤波器接入时,从噪声源传输到负载的功率PI和接入滤波器后,噪声
源传输到负载的功率P2之比,用dB(分贝)表示,滤波器接入前、‘后的电路如图4.4(a)、 (b)所示M“:






图4-4

滤波器插入损耗示意图

(a)滤波器接入前(b)滤波器接入后

!』查垒星墼兰坠坚釜———————一
所以:

,.三:101094/4;只:巧2风;最:V;/R<
所以:

‘4-5’

,.上:101。gK2/曙:201∞v,/v,
Igl4-4(a)u--]"得:

(4?6’



T,一

2赢也
屹.一P

¨一’ (4.7)

图4.4(b)网络的传输方程为:
(4.8)
V’I=AV2一B12 (4.9) Il=CV2.D12

(4.10)

同时:

V’1=Vs?IiRs

由式(4.8)~(4—1 1)联立可解出V2
t,

耻觋Vs
^,

(4—11)

(4.12)

4+二+CRc+上)÷
』、,

然后求得:
,.£=20 .A.RL+B+C'Rs Rs+RL



(4.13)

由(4.13)式可知,滤波器的插入损耗与滤波器网络的网络参量以及源端、负载誉
阻抗有关。

4.2.3技术指标的确定
4.2.3.1插损指标确定

EMI滤波器以满足一定的插损作为设计目标,为避免滤除有用信号,插损指标须

谨慎提出。对设备或分系统的电源线传导干扰电平都有明确的规定,预估或测试获

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得的EMI传导干扰电平和标准传导干扰电平之间的差值即所需的EMI滤波器的最
小插损【2们。 然而,对不同的单台设备都进行EMC测试,而后分析其传导干扰特性。设计合乎

要求的滤波器,这在实际工程中显然是不可能的。事实上,国家标准中规定了电源滤
波器插入损耗的测试方法。

4.2.3.2滤波器截止频率确定

(1)差模截止频率的确定 对于交流供电电源的差模信号,主要用于传递能量,其工作频率即为电网的工 频50Hz。若将输电线等效为等效传输线网络,则传输线上的工频谐波成分与传输线 的质量有关,线越差,所产生的干扰波形越厉害。这些谐波成分是工频的奇次谐波。
为实现设计目标而又不至产生太大的能量损耗,滤波器截止频率应选在工频的9次

谐波以上。这是因为即使质量再差的传输线。其9次以上的谐波成分所包含的能量也 非常小了。所以一般选取工频的lO倍频作为滤波器的截止频率。具体确定截止频 率时还必须考虑插入损耗指标。 设在某个频点F处所要求达到的插入损耗为IL,用符号ILo表示滤波器在高频段 的倍频程衰减,n为滤波器阶数。与考尔(Cauer)I型滤波器对应,有IL0=n×6dB/倍频
【271。

倍频次数为x=IL/ILo 则截止频率Fc≈F/2x=F/2‘。。

(4.14)
(4.1 5)

要注意的是,差模情况下的截止频率Fc应同时满足IO倍工频fac的要求,即:
Fc≥fAc 注:


(4?16)

1)(4-14)式中的插损指标IL应留有lOdB余量,即IL=IL+lOdB: 2)若(4—16)式条件不满足,则应重新选取滤波电路,滤波形式不变而滤波阶数增 加.即调整Lo的取值: 3)有多个频点插损要求时,应取Fo=min{Foi)[2s】。 (2)共模截止频率的确定

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共模条件下,截止频率可根据需要取得很低,不受工频频率限制。但值得注意 的是当截止频率取得太低时,共模器件的体积会做得很大。故一般仍按插入损耗指
标确定共模截止频率。

4.2.3.3滤波器元件的选用 (1)电容的选用

与一般滤波器不同闺4.5的电源EMI滤波网络中的电容器用了两种不同的下标,
即cx和Cy。其中cx是接于相线和中线之间,称为差模电容:Cy接于相线或中线与地 线之间,称为共模电容。下标x和Y不仅说明了它们在滤波网络中的作用,还表明了它 们在滤波网络中的安全等级。在设计或选用电源滤波器时,都必须严格考虑Cx和Cy 两类电容器的安全性能,因为它们直接关系到电源滤波器的安全性能【29】。



L喇 L



图4.5 EMI电源滤波器电路结构

(2)差模电容器



差模电容器Cx是指用于这样场合的电容器:当电容器失效后,不会导致电击

现象,不危及人身安全。Cx上除加有电源的额定电压外,还会叠加上相线和中线
之间存在的各种干扰源的峰值电压。

根据差模电容器应用的最坏情况和电源断开的条件,Cx电容器的安全等级又
分为Cxl和Cx2i褥类,具体规定见表4—2。电源滤波器设计时,根据不同的应用场合 来选用适合安全等级的X电容器。

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!烹II

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表4.2 Cx电容器分类
Cx电

用于设备的峰 值电fl[Vp

应用场合

在电强度试验期间所加的峰值电压Vp

容器等 级
Cxl

Vp>1.2KV

出现瞬态 浪涌峰值

对C<O.33 对C>0.33
1.4kv

u F,Vp=4KV u

F,Vp=4e(O.33一C)KV

Cx2

Vp<1.2KV

一般场合

若cx电容器的安全性能(即耐压性能)欠佳,在上述的峰值电压出现时,可能被击
穿。它的击穿虽不危及人身安全,但会使滤波器滤波功能丧失或性能下降。通常电 源滤波器的差模电容Cx必须经过1500~1700VDC一分钟耐压测试。

(3)共模电容器及漏电流控制

用于电子设备电源的EMI共模滤波性能常受到所谓共模电容Cy的制约,如图
4.5所示,Cy电容即跨接于相线与地线、中线与地线的电容。如图4—5中,接地电流 主要就是流过Cy的电流。由于流过电容的电流由电源电压和电源频率及电容器容 值所决定,接地电流可近似由下式估算【301:
192 UmX 2ⅡfinX CyX
10。

(4-17)

式中

Ig——接地电流(A): Um——电源电压(V); fhl——电源频率(Hz): Cy——Y电容容值(u
F)。

由于漏电流的大小对于人身安全至关重要,不同国家对不同类型的电子设备的 接地漏电流都做了严格规定。由(4.17)式,若限定了设备的最大漏电流,就可初步给 定最大允许接地电容值(Y电容),Bfl[31】:
Cy。。=IgX 103/(Um×2Ⅱfin)

(4-18)

如GJBl51A.97中规定,每根导线的线与地之间的电容值对于50Hz的设备,应小
于0.1


F:对于400Hz的设备,应小于0.02

1.t

F:对于负载小于0.5kW的,滤波器电容

量不应超过0.03 u F。标准中的规定除符合式(4.18)夕F,还要求Y电容器在电气和机械

◆环


4.2.4

EMI@i删E应用时一定得注意滤波器的安装问题,因为如果滤波器安装
EMI滤波器的应用
35

山东大学工程硕士学位论文

得不合适反而会得到一个更差的效果p“。

(1)为了滤波器的安全可靠工作(散热和滤波效果),除滤波器一定要安装在设
备的机架或机壳上外,滤波器的接地点应和设备机壳的接地点取得一致,并尽量缩 短滤波器的接地线。若接地点不在一处,那么滤波器的泄漏电流和噪声电流在流经

两接地点的途径时,会将噪声引入其他部分。其次,滤波器的接地线会引入感抗,它能 导致滤波器高频衰减特性的变坏。所以,金属外壳的滤波器要直接和机壳连接。如 外壳喷过漆,则必须刮去漆皮;若金属外壳的滤波器不能直接接地或使用塑封外壳
滤波器时。它与机壳的接地线应可能的短。

(2)滤波器要安装在电源线输入端,连线要尽量短;内部电源要安装在滤波器 的输出端。若滤波器在设备内的输入线长了,在高频端输入线就会将引入的传导干 扰耦合给其他部分。若内部电源安装在滤波器的输入端,由于连线过长,也会导致同
样的结果。

(3)确保滤波器输入线和输出线分离。若滤波器输入、输入线捆扎在一起或
相互安装过近,那么由于它们之间的耦合,可能使滤波器的高频衰减降低。若输入、

输出线必须接近,那么都必须采用双绞线或屏蔽线。

4.3采用电抗器
在变频器的输入电流中频率较低的谐波分量(5次谐波、7次谐波、11次谐波、 13次谐波等)所占的比重是很高的,它们除了可能干扰其他设备的正常运行之外,

还因为它们消耗了大量的无功功率,使线路的功率因数大为下降。在输入电路内
串入电抗器是抑制较低谐波电流的有效方法。根据接线位置的不同,主要有以下 两种:

4.3.1

交流电抗器 串联在电源与变频器的输入侧之间。其主要功能有: (1)通过抑制谐波电流,将功率因数提高至(0.75.O.85) (2)削弱输入电路中的浪涌电流对变频器的冲击: (3)削弱电源电压不平衡的影响。

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4.3.2直流电抗器

串联在整流桥和滤波电容器之间。它的功能比较单一,就是削弱输入电流中 的高次谐波成分。但在提高功率因数方面}E交流电抗器有效,可达O.95,并具有
结构简单、体积小等优点【341。

4.4系统接地方式
4.4.1

DCS与电气接地方式

我厂DCS系统调试阶段经常“死机”,分析其原因有以下几种:接地不良、 电阻过大、多点接地、接地线断或与高电压、大电流设备相接触等,造成工控机
执行机构或数据丢失。

DCS系统的接地是为整个系统提供公共信号参考点,提供屏蔽层消除电磁干 扰的作用。在DCS系统接地方面就出现了热工与电气专业对于电缆屏蔽层接地有 冲突的情况。电气专业根据电气专业相关规定——“当采用静态保护时,屏蔽层 应两端接她”,将接入DCS系统的电气信号电缆屏蔽层在变频器端和DCS机柜端
分别接地,这与热工专业规定电缆屏蔽层需集中一点接地的要求不一致。

对于通过电容耦合的电场干扰,一点接地能大大降低干扰电压,发挥屏蔽作用;
对于通过感应耦合的磁场干扰,传递信号的屏蔽双绞线两条线上感应的干扰电压 接近相等且方向相反,是互相抵消的。但是采用两点接地时,外部干扰电流产生 的磁场在屏蔽层中感应产生一个与外部干扰电流方向相反的电流,这个电流起到

降低干扰电流的作用,也可产生屏蔽作用。两端接地时,如果两端电位不一致,
则将在屏蔽层中产生一个附加电流,此电流将在屏蔽电缆中信号线产生干扰电压
{35】。

正是由于两点接地的这种“有利”和“有弊”间的矛盾,电气规程规定高频信 号较多的电气电缆屏蔽层宜在两端接地:但热工专业规定电缆屏蔽层需在控制柜

处集中一点接地,因为仪表及控制系统信号绝大多数是低频信号,低频信号接地 的原则是单点接地,以避免形成接地回路。综合分析,为保证DCS卡件不受地电 位不一致导致的干扰电压的影响,现己规定所有进入DCS的信号均采用一点接地
的方式。

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4.4.2变频器接地方式
对于变频器,主回路端子PE(E、G)的正确接地是提高变频器抑制噪声能力和 减小变频器干扰的重要手段,因此在变频技术应用中一定要非常重视。 由于变频器内部控制端子上控制屏蔽接地及采用线性电源变压器的屏蔽层均

连接至PE,因此PE的连接情况直接关系到变频器的可靠性。若为了简单将PE接 至零线。在这种情况下,由于防浪涌电路中的电容及压敏电阻漏电流Ic和Ir较大, 一般为几十至几百毫安,在接地情况不够良好的情况下,接地电阻Ro较大,零线
与地之间的电压达到几十伏,甚至上百伏,既不符合消防安全规范,也对系统的 可靠性产生重大影响,因此要尽量采用专用接地线,避免与其他设备公用接地。 变频器接地导线的截面积一般应不小于2.5mm2.长度控制在20m以内。建议变频 器的接地与其它动力设备接地点分开,不能共地【j…。

4.4.3低频采用一点接地
4A.3.1控制线接地


在采用上位机PC/PLC通过RS232/485通信控制时,最容易犯的错误是两点接
地。由于接地点不在一起,不同接地点之间会出现地电位差,在屏蔽线中形成地

回路,不仅起不到屏蔽作用,反而带来干扰。特别是在上位机侧,若没有专用接
地,电源插座的接地端子往往采用接零线方式,会造成计算机或者变频器的损坏。 在某些PC或PLC中,开关电源采用非隔离方式,即使采用变频器方面的单侧接 地,也会造成通信接口的损坏。 由于变频器通信控制信号一般低于lOOkHz,所以一般不用带状电缆,而采用

屏蔽电缆或者双绞线。但是,在实际应用过程中,由于接地不当,经常出现接地
比不接地通信误码率高的现象,从而使人产生了屏蔽电缆要不要接地,如果要接

地,是采用一点、两点还是多点接地的疑惑。据分析有关资料和实践证明,在通
信速率低于100kHz时,选用一点接地效果较好,对于采用总线控制的高速率通信 控制电缆的屏蔽层要选用多点接地,最少也要两端接地,并且采取在通信线路较 长时在网络的终端加终端匹配电阻等抗干扰措施Ij“。

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对于电缆的多点接地,一个附加的好处是能减少屏蔽层的静电耦合。另外, 还可根据传输信号的波长来判定接地方式:以传输信号的波长x的l,4为界,通信
传输线长度小于k/4时采用一点接地;长度大于X/4时,由于屏蔽层也能起到天线

作用,应采用多点接地【j”。

4.4.3.2传感器接地 在采用变频器调速的快速响应控制系统中,一般要安装速度传感器(如脉冲编
码器、旋转变压器)来进行速度或位置闭环控制,或者在生产线和设备上安装压力、 温度、张力、线速度等检测传感器。这些传感器的一个共同特点是:为了提高抗

干扰能力,信号线均采用屏蔽线,而且屏蔽线在传感器内部与传感器壳体接在一 起。当传感器安装在电机、管道或者生产线上时,屏蔽层就与这些设备相连接;而
在传感器与变频器或其他控制设备连接时,屏蔽层又连接至PE端子。如果此时变 频器或外部设备接地不良,就会出现通过屏蔽层接地的情况,形成对地电流,对 系统工作的可靠性产生很大影响,严重时系统将无法工作。 因此,在采用外部传感器的闭环控制系统中,距离较远时,一定要保证外部

设备和变频器的可靠独立接地,或者选用传感器外壳不与控制屏蔽层连接的传感 器,在变频器侧实施一点接地;距离较近时,可采用公共接地母排接地,保证传 感器与控制设备接地点之间电位差近似为零,从而消除接地环流造成的干扰。

4.4.3.3模拟信号接地

实践证明,双绞线或双绞屏蔽线对磁场的屏蔽效果明显优于单芯屏蔽线,对

于采用标准4~20mA,o~IOV/I~5v模拟信号控制变频器转速的系统,一定要采,
用双绞线或屏蔽电缆。由于模拟信号频带较窄,原则上在接地的控制器或变频器

一侧实旋接地。控制装置之间的信号电缆应在线路对地分布电容大的一端接她, 这样能够减少信号电缆对地分布电容的影响。实际系统中,一般在信号电缆数量 多的控制装置一侧接地。另外,对于抗干扰要求非常高的场合,可采用双重静电 屏蔽的电缆,此时,外屏蔽层接至屏蔽地线,内屏蔽层接至系统地线。系统地线 是变频器外部控制隔离地、模拟控制地,或者是系统独立的接地线。对于共模干

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扰严量的场合,可通过添加共模电感来消除共模干扰.对于多点对地电位浮动频 繁的场合,可采用DC/DC隔离模块来实现电气隔离,彻底避免干扰的产生【391。
4.4.4附件接地方式
交直交电压型交频器输入采用三相不可控整流电路,谐波大,功率因数低,对 于电网的污染严重。因此,可针对不同的要求采取相应措施。比如,要求输入具有 较高的功率因数时,必须加装直流电抗器L2或交流输入电抗器L1:要求减少变频 器输出与电机的连接导线的无线电辐射干扰和延长变频器与电机之间连线时.必须

在变频器输出侧加装交流电抗器L3:要求减少变频器的使用对周围设备的干扰时, 必须在变频器输入侧加装EMI滤波器,以减少传导干扰,提高周边设备如PLC控
制设备及自动化仪表的可靠性。由于每个选件都有相应的屏蔽层,为了充分发挥性

能,接地点的连线非常重要。对于在同一控制柜中的中小功率变频调速系统,建议 采用公共母排接地方式;对于不在同一控制单元,较为分散的系统,推荐不同单元
之间采用独立接地方式。尽量不要采用公共接地。

4.4.5测试中的接地方式
在变频器产品的维修过程中,由于采用三相逆变桥控制,在输出功率模块损
坏时,需采用示波器观察三相驱动与输出电压、电流波形。因此.在采用示波器

测量PWM驱动波形时,最好不要直接测量,建议采用高压探头进行测量。如无隔
离措施,建议将示波器电源接地端子拔掉,以确保示波器机壳带电部分与其他电

源或线路绝缘,特别是将示波器放置于导电的防静电实验台上时,要注意其外露
金属壳体部分不与导电桌布接触,然后采用带衰减的示波器探头直接测量。另外 要特别注意的是:尽管大多数电源插座未接地线,但插在同一插座上的设备地线 也可能形成了地回路,如使用不当,有时会造成多台设备损坏的局面。测试设备

的电源最好全部采用隔离电源。即使采取这些措施,也有可能造成测试设备的损
坏。

4.4.6几个值得商榷的问题
4.4.6:1零线与地线之间的电压过高

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目前,我国正在推行三相五线制供电模式,但是往往由于历史原因,造成零线 与地线在变电站就连接在一起,或是地线、零线线径不符合标准,造成零线、地 线与大地间电阻超过标准10fl,从而导致零线、地线分别对地及零线与地线之间

电压很高,严重时超过36V安全电压,造成安全隐患和降低系统的抗干扰能力。
为了减小电气设备的接地系统引起的电气噪声,中性线与接地之间的电压应小于
lV。

4.4.6.2

PE线中漏电流超标

前面已经讲过,在变频器的输入回路一般均安装EMI滤波器,在直流侧加装
直流电抗器,在输出侧安装电抗器等附件,附件屏蔽层对地线之间产生很大的漏、

电流。经过测试,目前许多变频器PE端子接入系统地线时漏电流达到了300mA 以上,而我国消防有关规定,要求PE地线中漏电流应小于210mA,这样许多变频
器是不符合防火要求的。因此对于火警危险的工作场所,在使用变频器等产品时

一定要确认地线对地漏电流是否符合标准,以防止由于绝缘故障引起的火灾。

4.4.6.3在三相四线制中不宜采用独立接地体

我国绝大部分低压供电系统为三相四线制,国外特别是欧洲电气公司的建议 是用电设备的PE线要采用独立接地体的三相五线制式。可是在三相五线制未实施 的现场如果采用PE独立接地,能提高系统的抗干扰能力,但不能避免触电事故【401。

4.4.6.4系统地线与保护地线混淆

对于小型小功率的电气控制系统,如果系统地线与保护地线不分.系统还是能 正常工作的。但是,对于如轧钢机、集装箱提升设备等用高压大功率交流装置, 系统抗干扰能力和安全保护可靠性的要求尤为突出,必须实施系统地线与保护地

线的分离。系统保护地线一般采用与厂房钢结构连接而实现良好接地,而对于整
个控制系统的系统地及屏蔽地通过地线汇流排连接至符合标准的单独接地极接

地。地线汇流排一般要采用25mm2以上大截面绝缘导线或镀绝缘漆铜摊,以保证


4l

山东大学工程硕士学位论文 一点接地。此时要注意屏蔽地接地电极与变压器零线等其它强电设备接地电极的 距离大于15米。

4.4.6.5漏电空气开关跳闸

在变频器使用过程中,有延用原来的具有三相四线制漏电流保护功能的空气 开关,造成在变频器正常使用过程中频繁跳闸的情况。原因是对于潜水泵、地下 矿用风机、泵类等设备,由于设备本身已经与大地可靠接地,输出PwM的dv/dt
通过导线与地、机壳与地的分布电容造成对地漏电流超标,输出电流Iu、Iv、1w

之和不等于零,Ia、Ib、Ic之和大于Ie,当误差大于空气开关规定的跳闸电流时, 空气开关跳闸,导致生产无法正常运行,同时给绝缘测试带来难度。

4.5轴电流的预防研究
4.5.1低频轴电流的预防研究
防止低频轴电流产生的常规措施有如下几种【411: (1)增加接地碳刷,使转轴接地: (2)使用绝缘轴承; (3)使用对称电缆: (4)增加补偿变压器: (5)增加绝缘板。

4.5.2高频轴电流的预防研究
以下是防止高频轴电流的几种有效措施: (1)选择正确的电缆 在电缆的选用方面,必须选用对称的多芯电缆,电缆的接地线(PE,保护接地)

必须对称排列:电缆的屏蔽层选用铜编制带,因为铜的导电性能优越,屏蔽效果
比较好:屏蔽层的总截面积应不小于相线的l/2:电缆头两端做360。的接头,并分

别与变频柜和电机内接地端连接。 (2)安装高频滤波器

山东大学S-程项士学位论文

只要变频器处的高频谐波存在,就会产生共模电流,所以如果能够对高频电
流进行衰减,则在源头上抑制轴电流。具体措施为:在变频器的输出线上安装共 模滤波器,在三相对称电缆的外面套上滤波器磁环,使高频电流在磁环中被吸收。

由于高频电流会产生高频磁场,所以滤波器选非接触式【42】。 一般滤波器有普通电源滤波器和开关电源滤波器。普通滤波器的原理是设计 一组扼流圈,2个电感绕在同一磁环上,匝数相等,绕相相反,使两个线圈中流过 的共模电流产生的磁通在磁环内相互抵消,从而达到滤波效果。但是普通滤波器 的带宽不够,不能消除10kHz以上的谐波,对于高频电流,一般采用开关电源滤 波器。开关电源滤波器中的电容一般要求电感值比较小,这样谐振频率高,抑制 高频电流的效果好。
。 .

(3)均衡接地电压 由于存在杂散电容,在同一根电缆的屏蔽层(都已接地)上两端(逆变器侧与电 机侧)的地电压实际上并非完全一致,这样在电缆上存在电压降,就会存在电流。
所以,考虑均衡接地电压,降低电缆屏蔽层上的压降,从而降低轴电流。具体做

法是在现场安装一个共用接地母排,然后将各电机接地端子与之相连接。由于变 频柜内的接地线是引自系统总的接地装置,从而将电机与逆变器的接地电压均衡. 降低电压降。另外,考虑降低电机电缆屏蔽线的接地电阻,使该电缆上部分电流
在通过电机轴承之前直接接地,分流流经轴承的电流。

沁4.6合理布线
4.6.1信号、动力线分开布线、穿管
使用模拟量信号进行远程控制变频器时,为了减少模拟量受来自变频器和其
它设备的干扰,将控制变频器的信号线与强电回路分开布线。距离应在30cm以上。 即使在控制柜内,同样要保持这样的接线规范。 将信号线与动力线放置在不同的金属管道或者金属软管内部,由于变频器离

控制室较远,因此变频器的信号线如果不放置在金属管道内,极易受到变频器和 外部设备的干扰:同时由于变频器无内置的电抗器。所以变频器的输入和输出级

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动力线对外部会产生极强的干扰,因此放置信号线的金属管或金属软管一直要延 伸到变频器的控制端子处,以保证信号线与动力线彻底分开。

4.6.2模拟量信号线接线
控制信号线电线采用规格为0.5~2mm2的控制电缆。在接线时一定要注意, 电缆剥线要尽可能的短(应在5-7mm左右),同时对剥线以后的屏蔽层要用绝缘 胶布包扎起来,以防止屏蔽线与其它设备接触引入干扰。

4.7本章小结
对干扰源的屏蔽方法有串接隔离变压器和屏蔽干扰源两种。 在切断干扰途径的方法有综合利用滤波器和电抗器。在综合比较了无源、有源 滤波器的优缺点的基础上,确定了EMI电源滤波器.EMI电源滤波器是安装在设 备的电源入口处的一个低通滤波器,这个滤波器只容许工作频率(50Hz)通过, 而对较高频率的干扰有很大的损耗。技术指标方面分别对差模、共模截止频率、

滤波器元件——差模、共模电容器及共模扼流圈的计算和选择,并提出了EMI滤
波器的安装问题。 在提高自身抗干扰能力方面,本节在综合工程经验基础上,提出正确的接地 方式和合理的布线方式,比如:如何处DCS与电气系统接地方式、变频器接地方 式、低频采用一点接地、控制信号及其他附件应该如何正确的接地。本节从低频 和高频轴电流两个方面,提出了防止低频、高频轴电流产生的预防措施。.随着大 功率、高切换频率功率元件的运用逐渐普及,高频轴电流的危害的加剧,也日益
显示出预防高频轴电流措施的重要性。

山东大擘工程硕士学位论文

第5章给粉变频调速系统应用
5.1调速系统设备方案设计
5.1.1主回路的设计研究
基于DCS系统的给粉变频调速系统是通过DCS(锅炉分散控制系统)调节变 频器对给粉机进行控制。以改变供给电机交流电源的频率来调节转速的调速系统。

在结构上,它主要由工频交流电源、自动空气开关、变频器、刀闸(带熔丝)、和
电机组成,具体见图5-l所示。

工期电碌1

工颠电磁

图5-I

给粉变频调速系统示意图

①DCS系统控制变频器起、停操作:②DCS系统控制变频器增减转速; ③变频器运行状态输出给DCS系统:④电机的实际转速反馈给DCS系统

控制回路由变频器控制模块和DCS系统组成,通过DCS系统开关量开关变频 器来控制给粉电动机的开停,通过DCS系统输出信号增减变频器的转速绘定,通 过变频器模拟量输出反馈给DCS系统显示实际转速,实现给粉电机转速的平滑稳
定地调节,从而控制锅炉给煤量的控制。 变频调速具有无附加转差损耗,效率高和调速范围宽等特点,而且在变频器

接通时对电机冲击电流小。对于使用在低负载运行时间较多,或起停运行较频繁
的场合,达到节电和保护电机的目的。

通过给粉变频调速系统,锅炉主操手能根据锅炉燃烧情况及时调整给粉机转 速,达到平稳控制锅炉燃烧的目的。变频器安装在集中电气室内或操作室的电气

山东大学工程项士学住论文 盘上均可。


/20^

j警…..鏊 誉….警
l寺惯电机l母嚣电机2

图5-2给粉变频控制系统主【团路

在电气元件的选型上,由于每台电机型号均为Y100L2-4,额定功率Pe-3Kw,
额定电流Ie=5.9A,所以选择额定电流le=20A的DZ47.63/20A型小型空气断路器

作分路开关(带缺相保护),保证了过负载能力;采用双自动开关供电,选择
DZ20.200A型自动开关作为总开关(不带缺相保护);在单台电机发生短路、缺相、 过流等故障时,带缺相保护的分路开关跳闸切除故障,以免引起其他开关跳闸,

确保设备稳定运行和排除故障。刀闸选用Ie=15A的三相刀闸,其附带的保险丝选 择10A(1.2~1.5倍Ie):主线路采用截面为16ram2的铜导线连接,确保足够的通 流能力和机械强度。

5.i.2变频器的选型研究
艾伦一布拉德利PowerFlex400系列交频器是一种高效率低成本变频设备。它内 部集成的PID控制器可自动调整输出频率:三个可编程的跳变频率段可防止变频
器在共振频率中连续运行,避免机械损坏;集成到变频器中的RS485通讯,支持

驱动串行接口(DSI)通讯模块和附件。其输入标准是:三相电压:200.240/380-480V +/.10%:频率:48.63Hz:逻辑控制跨越时间:>=0.5秒,典型时间是2秒。输出 标准是电压从0V到额定电压平滑可调;频率范围:0-320Hz;过载电流能力:110%
持续60秒。

由于电动机额定功率是3KW,取安全系数2.O以上,变频器选择输出功率为

山东大学工程硕士学位论文 7.5KW,输出电流为17A,电压等级为380~480V,框架C:260(10.2)高X
130

(5.1)宽X180(7.1)厚,即能满足生产要求”“。 交频器具有软起动、对开关和电机无冲击的特性,所以断路器或接触器按变 频器容量选择,又由于给粉电机容量较小,为了确保给粉电机运行可靠性,主回
路除了保留熔断保险器,安装一自动空气开关,不再使用交流接触器和过载热继

电器,直接采用变频器的过载保护即可。

5.1.3控制回路接线研究
每台给粉变频器输入、输出点数如表5-1:

表5-1变频器输入、输出点数表

点数名称 开关量输入 开关量输出

数量


作用

信号电源
24V

实际量程

开、停变频器
变频器运行状态 增减转速 转速监测

//
//
肚1500
0---1 500

1 1 l

24V 4-20mA 4---20mA

模拟量输入
模拟量输出

下图5-3是变频器的外部接线
N U V W



‘s —j



斗1薄=b:?
皇t
40

尾它t盒禽磷妤,台-袁
—PowerFlex

j 94199 j吖“v/””3 9 9

¨9




圈5-3

变频器外部接线图

上图中“GF-*”表示给粉变频系统控制电缆,具体电缆走向见下图5—4

山东大学工程硕士学位论文
, .’

图5-4

给粉变频控制系统电缆走向图

5.2综合抗干扰应用研究
如图5.5所示是变频调速系统抗干扰方案,在电源与变频器之间设置了输入滤 波器和电抗器,在变频器和电机之间设置了输出滤波器和电抗器,将变频器输出

至电机的负荷电缆穿钢管,附近有电子设备的加设了专门的滤波器,装置带有放
大器一速度传感器的单独设置隔离变压器。在屏蔽干扰方面,电源外壳、滤波器、 电抗器、变频器外壳、负荷电缆屏蔽层(铠甲)均可靠接地。

电孽

铜管屏蕺


图5.5


变频调速系统抗干扰方案

当并联使用时,LC滤波器用来分担补偿相同次数的谐波,补充有源滤波器的 补偿作用,降低所需逆变器的容量。而采用串联方式运用时,有源滤波器则主要 不是用来直接补偿谐波,而是用来抑制LC滤波器与电网阻抗之间的并联谐振,即

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所谓的谐波放大现象,以改善LC滤波器的补偿效果。此时,逆变器不承受基波电 压,装置容量小。 在变频器输入端加装EMI滤波器,有效抑制变频器对电网的传导干扰,加装 输入交流和直流电抗器Ll、L2,提高功率因数,减小谐波污染。在某些电机与变 频器之间距离超过100米的场合,需要在变频器侧添加交流输出电抗器L3,解决 因为输出导线对地分布参数造成的漏电流保护和减少对外部的辐射干扰。 为减少电磁噪声和损耗,在变频器输出侧可设置输出滤波器;为减少对电源干 扰,可在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器,吸收谐波和增大电源或负载
的阻抗,达到抑制谐波的目的,具体见图5.6。







图5-6

抗干扰综合应用图



需要注意的事项是采用钢管穿线,并将钢管外壳或者将电缆屏蔽层与大地可 靠连接是屏蔽干扰的直接方法。但是,在不添加交流输出电抗器L3时,如果采用 钢管穿线或者屏蔽电缆的方法,增大了输出对地的分布电容,容易出现过流。

5.3实施效果验证
此方案通过后,即进入紧张地准备实施阶段。首先,用一个月左右的时间各 齐了所需的材料,用了两个月多的时问进行盘内元件安装、配线、校线工作,然 后进入盘柜基础制作安装、盘柜安装调试、敷设动力、控制、信号电缆工作。在 准备就绪后,利用l~错炉依次检修的时机实施了老系统拆除和新系统合茬、接线、
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试车等工作Ⅲ】。 该系统设备一次投运成功,运行可靠,至今没有出现任何故障:运行操作简 单方便,运行人员只需在控制室操作DCS系统给粉操作界面升降速按钮就可实现
转速调节,调节精度好、运行可靠、节约能源。该系统试运48小时正常后投入运

行,效果相当明显,每年l~4捍锅炉有关给粉调整方面的事故由原来的8起降到了
0起,彻底扭转了我厂给粉机运行不稳定影响生产的被动局面。

5.3.1直接经济效益
在经济效益方面,由于该系统参数设定准确,操作方便、运行可靠、锅炉运 行稳定,自投用至今试运行一年,与前几年锅炉的事故平均次数相比降低了8次, 保证了锅炉的稳定经济生产。比较而言,l~4#炉每年减少故障停炉8次,每次停
运故障处理时间平均在0.5天,因而减少停运4天时间,按四台锅炉平均一天的经

济效益在3.5万元左右计算,增加锅炉生产运行经济效益14万元;锅炉启动一次 所耗柴油、燃煤及其他费用约1.5万元,减少费用12万元,则以后每年三台锅炉 可多创效益26万元。可见,变频调速的直接经济效益是相当可观的。

5.3.2间接经济效益
经过两个系统运行状况的对比,变频调速系统的优点比较明显,主要表现在
以下几个方面:

节约能源——功率因数由原来的O.8左右提高到了O.95左右,减少了电机的
发热、躁声、dv/dt应力及共模电压损坏等问题,减少了无功功率消耗。变频器调 速系统给粉机中滑差电机与给粉机之间存在着转速差,高速运转的电机和给粉机 输出轴的低速之间的速差能量都变成热能消耗在滑差电机中,造成大量电能损失。 变频调速系统中的给粉电机长期运行在15Hz~30Hz之间,运行电压常在120V左 右,并且噪音极低。

调整精度高、范围大——原来的滑差调速范围只在300~600转之间调整,调
节精度最小也在30~40转。变频调整范围在0~960转之间,精度开环调节在10~ 15转之间,闭环调整在1转左右:系统调试都在lO转之内,精度达到了l%。实 现空载软启动,启动峰值电流和时间大为减少。
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稳定性好——采用变频调节,其控制调节特性远远好于滑差调节,有利于进 一步进行分散控制系统改造。变频器驱动的是普通鼠笼式电机或变频器专用的电 动机,其电气、机械结构简单,可靠、耐用,避免了因大启动电流造成的绝缘老 化及大电动力矩造成的机械冲击对电机寿命的影响,每年可减少电机更新维护工 作量。盘柜中的电气元件少而精,选型配置合理,变频器自带保护功能比较完备, 大大提高了系统的可靠性。

5.4本章小结
基于DCS系统的给粉变频调速系统是通过DCS(锅炉分散控制系统)调节变 频器对给粉机进行控制,以改变供给电机交流电源的频率来调节转速的调速系统。 控制回路由变频器控制模块和Des系统组成,通过DCS系统开关量开关变频 器来控制给粉电动机的开停,通过DCS系统输出信号增减变频器的转速给定,通

过变频器模拟量输出反馈给DCS系统显示实际转速,实现给粉电机转速的平滑稳
定地调节,从而控制锅炉给煤量的控制。 该系统设备一次投运成功,运行可靠,至今没有出现任何故障:运行操作简 单方便,运行人员只需在控制室操作DCS系统给粉操作界面升降速按钮就可实现 转速调节,调节精度好、运行可靠、节约能源。该系统试运48小时正常后投入运 行,效果相当明显,每年l~4撑锅炉有关给粉调整方面的事故由原来的8起降到了 0起,彻底扭转了我厂给粉机运行不稳定影响生产的被动局面。

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应用变频技术,本文设计并实施了基于锅炉DCS控制系统的给粉机变频调速
系统,解决了传统给粉控制系统运行不稳定从而影响生产的瓶颈问题,为火电厂

解决落后的给粉控制方式提供了运行稳定的解决方案。 该系统设备一次投运成功,运行可靠,至今没有出现任何故障:运行操作简 单方便,运行人员只需在控制室操作DCS系统给粉操作界面升降速按钮就可实现 转速调节,调节精度好、运行可靠、节约能源。该系统试运48小时正常后投入运 行,效果相当明显,每年1~甜锅炉有关给粉调整方面的事故由原来的8起降到了
0起,彻底扭转了我厂给粉机运行不稳定影响生产的被动局面。

在经济效益方面,由于变频调速系统参数设定准确,操作方便、运行可靠、 锅炉运行稳定,自投用至今试运行一年,与前几年锅炉的事故平均次数相比降低 了8次,保证了锅炉的稳定经济生产。比较而言,I~甜炉每年减少故障停炉8次,
每次停运故障处理时间平均在O.5天,因而减少停运4天时问,按四台锅炉平均一

天的经济效益在3.5万元左右计算,增加锅炉生产运行经济效益14万元:锅炉启 动一次所耗柴油、燃煤及其他费用约1.5万元,减少费用12万元,则以后每年四
台锅炉可多创效益26万元。 在电力电网中,存在大量非线性负载,引起电网电流波形不再是正弦波,火电

厂的电磁干扰尤为严重。在实旌了给粉机变频调速系统后,出现了谐波干扰现象: 电机运行温升较大、变频器输出到电机的负荷电缆频繁发生绝缘损坏、高次谐波 使电网波型严重畸变、变压器的铁芯损耗明显增加等。针对上述现象综合分析变 频器自身产生的干扰和其受到外界的干扰机理,从抑制和消除干扰源、切断干扰
对系统的传导通道、提高系统自身抗干扰能力三个方面提出了消除谐波干扰的方 法。


本文在深入分析、处理、总结给粉机变频调速系统实际应用中的经验的基础

上,结合现场综合应用消除谐波干扰,提出变频系统谐波干扰的抗干扰重点和方 向,分析论述了EMI电源滤波器的设置、综合应用滤波器电抗器方案、正确的接 地方式及合理布线等抗干扰措施。

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由于采用PWM变频供电方式和使用IGBT等快速切换元件,在轴承上会产生 高频电流脉冲,从而在电机转轴两端产生轴电流;如果这些脉冲的能量足够高, 就会损坏轴承。本章从低频和高频轴电流两个方面,分析了轴电流产生机理,提 出了预防措施。有关高频电流的预防措施研究在国内还不是很成熟,也没有明确 的标准来定义高频轴电流的危害程度。而随着大功率、高切换频率功率元件的运

用逐渐普及,高频轴电流的危害的加剧,也日益显示出预防高频轴电流措施的重 要性。此外各种预防方法的有效性还需要在实践中接受检验。

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本论文是在张慧教授的悉心指导下完成的.从论文的选题、研究内容至写作 的全过程,张教授给予了明确指导,糟心培养和耐心帮助,同时张教授渊博的知 识和严谨的作风使我受益非浅。弗瓣拣藏锈器艚童柞中窝下永久深刻的影响,在 此我表示衷心的感谢l

同时我还要感谢我的副导师孙天增高级工程师、山寐犬学机槭工程学院、山
东铝业股份有限公司、山东铝业公司职教中心、热电厂的备级颁导以及我的家人 在工作和学习上所给予的大力支持和帮助,感谢同事们在论文撰写中所摁供的大
力支持和帮助!

火电厂给粉系统中的变频应用与抗干扰
作者: 学位授予单位: 郭程 山东大学

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