變頻器諧波的危害及抑制方法

[摘要]闡述諧波的定義,變頻器諧波產(chǎn)生的根本原因,諧波對(duì)公用電網(wǎng)的危害。對(duì)于抑制變頻器諧波問(wèn)題提出可供參考的解決方法。

[關(guān)鍵詞]變頻器 諧波 危害 解決方法

中圖分類號(hào):TM4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0920041-01

一、前言

隨著電力電子工業(yè)的快速發(fā)展和節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng),變頻器裝置憑借其高效、節(jié)能和智能化的特點(diǎn),已成為工業(yè)調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域中重要的基礎(chǔ)設(shè)備。然而,由于變頻器的特殊組成結(jié)構(gòu),將大量的諧波和無(wú)功功率注入電網(wǎng),使電網(wǎng)的電能質(zhì)量下降。所以了解變頻器產(chǎn)生諧波的原因及其危害,探討綜合治理的方法,抑制諧波污染,提高電網(wǎng)功率因數(shù)已成為工業(yè)控制領(lǐng)域面臨的一個(gè)重大研究課題。

二、諧波及產(chǎn)生

諧波是指對(duì)周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量,通常也稱為高次諧波。每個(gè)諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以分為偶次與奇次諧波,奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。

諧波產(chǎn)生的原因主要是由于電力系統(tǒng)中存在非性線元件及負(fù)載,當(dāng)電流流經(jīng)它們時(shí),與所加的電壓不呈線性關(guān)系,使電壓、電流波形發(fā)生畸變,從而產(chǎn)生諧波。諧波源是指向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備,其中主要的諧波源是各種電力電子裝置,如整流裝置、交流調(diào)壓裝置。變頻器內(nèi)部大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件,使得變頻器從電網(wǎng)中吸取的是由頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成的非同期正弦波電流。

三、諧波的危害

理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn),對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染,對(duì)其他控制系統(tǒng)的控制也可以造成嚴(yán)重影響和不良后果。由于電力電子裝置的迅速發(fā)展使得公用電網(wǎng)的諧波污染日趨嚴(yán)重,由諧波引起的各種故障和事故也不斷發(fā)生,諧波危害的嚴(yán)重性才引起人們高度的關(guān)注。諧波對(duì)公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個(gè)方面:1.產(chǎn)生了附加的諧波損耗,降低了電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率。2.使電氣設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲,并使絕緣老化,使用壽命縮短,甚至發(fā)生故障或燒毀。3.引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振,使諧波含量放大,造成電容器等設(shè)備燒毀。4.使某些電氣測(cè)量?jī)x表受諧波的影響而造成誤差。5.干擾鄰近通信系統(tǒng)、載波遙控設(shè)備,降低通信質(zhì)量,甚至使通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

四、變頻器的諧波治理

變頻器方便、高效使用的同時(shí),給公用電網(wǎng)注入了大量的諧波和無(wú)功功率,對(duì)用電設(shè)備和電網(wǎng)本身都造成很大的危害。世界許多國(guó)家發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)由技術(shù)監(jiān)督局于1984年和1993年分別發(fā)布了“電力系統(tǒng)諧波管理規(guī)定”和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14549-93)<<電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波>>,用以限制供電系統(tǒng)及用電設(shè)備的諧波污染。消除變頻器諧波對(duì)電網(wǎng)和電氣設(shè)備的干擾,采取的主要措施是:

(一)隔離干擾源,減少諧波侵入

所謂隔離干擾,是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開(kāi)來(lái),使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。常用方法有:1.變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立,或在變頻器和其他用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器,切斷諧波電流。 2.電動(dòng)機(jī)和變頻器之間電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜,并與其他弱電信號(hào)在不同的電纜溝分別敷設(shè),避免輻射干擾。3.變頻控制系統(tǒng)的信號(hào)線要很好地絕緣,應(yīng)采用屏蔽線。4.變頻器應(yīng)使用可靠地專用工作接地線,它分為電源地、信號(hào)地、屏蔽地。5.對(duì)于裝設(shè)多臺(tái)變頻器的場(chǎng)合,可各配專用的變壓器,利用輸入變壓器相位錯(cuò)開(kāi)的方法抑制高次諧波。

(二)改造電力電子裝置,減少諧波含量

減少諧波含量主要是從變流裝置本身出發(fā),通過(guò)變流裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和增加輔助控制策略來(lái)減少或消除諧波,目前采用的技術(shù)主要有:1.在變頻器交流輸入側(cè)設(shè)置交流電抗器,增大整流阻抗使整流重疊角增大,減小高次諧波。2.在整流橋和濾波電容之間串聯(lián)直流電抗器進(jìn)行濾波,提高功率因素。3.應(yīng)用多重脈沖整流技術(shù),采用移相多重法、順序控制和非對(duì)稱控制多重化等方法,達(dá)到消除指定諧波和控制基波幅值的目的。4.采用更高頻率的開(kāi)關(guān)元件、變頻器輸出端加裝濾波器,降低PWM控制的輸出波形中所含有的交流諧波成分,用隨機(jī)法調(diào)節(jié)切換頻率和閉環(huán)控制控制PWM輸出波形的各個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)刻,保證四分之一波形的對(duì)稱性。

(三)安裝電力濾波器,提高濾波性能

在低壓電網(wǎng)中,當(dāng)諧波電流畸變率THD_I>10%,或諧波電壓畸變率THD_V>3%時(shí),電力濾波器能有效地抑制諧波的傳導(dǎo)干擾。

1.無(wú)源電力濾波器(PPF)。無(wú)源電力濾波器即利用電容和電抗器組成LC調(diào)諧電路,在系統(tǒng)中能夠?yàn)橹C波提供并聯(lián)低阻通路,起到濾波作用;同時(shí),利用電容還能補(bǔ)償無(wú)功功率,改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。無(wú)源濾波器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、運(yùn)行可靠性較高以及運(yùn)行費(fèi)用較低,適用于穩(wěn)定、不改變的系統(tǒng)。但缺點(diǎn)是只能濾除特定次諧波,過(guò)載能力小,穩(wěn)定性較差,體積大,損耗大等。

2.有源諧波調(diào)節(jié)器(APF)。有源電力濾波器利用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制技術(shù)對(duì)電流頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償,修正電流波形,提高功率因數(shù),有效地抑諧波制,是目前最有效的一種濾波技術(shù)。但是有源電力濾波器有容量大、成本高的缺點(diǎn),在廣泛使用上受到一定的限制。

3.混合型電力濾波器。為了充分發(fā)揮有源電力濾波器補(bǔ)償性能好的優(yōu)點(diǎn),克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點(diǎn),目前,在諧波治理方面,出現(xiàn)了無(wú)源濾波器與有源濾波器互補(bǔ)混合使用的方式。它采用開(kāi)關(guān)頻率較低的IGBT構(gòu)成的逆變器來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,由開(kāi)關(guān)頻率高,耐壓較低的MOSFET構(gòu)成的逆變器進(jìn)行諧波電流補(bǔ)償,高頻逆變器的輸出側(cè)采用變壓器隔離,可消除大部分干擾,使整個(gè)系統(tǒng)獲得良好的性能。

五、結(jié)束語(yǔ)

在人們節(jié)能意識(shí)日漸增強(qiáng)的今天,只要清楚地認(rèn)識(shí)變頻器諧波產(chǎn)生的原因與危害,正確掌握抑制諧波的方法,就可以將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍內(nèi),達(dá)到科學(xué)合理用電,嚴(yán)格抑制電網(wǎng)污染,提高電源質(zhì)量。使電力電子技術(shù)和變頻調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中發(fā)揮更大的作用。

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作者簡(jiǎn)介:

李崇華(1967-),女,漢族,湖南人,副教授,主要研究方向:工業(yè)自動(dòng)控制。