直流調(diào)速裝置的諧波危害及抑制

李振

杭州安全玻璃有限公司 310000

摘要：介紹了大功率直流調(diào)速裝置諧波產(chǎn)生的原因及其危害，探討綜合治理抑制諧波污染的方法。

關(guān)鍵詞：直流調(diào)速裝置；諧波；抑制

直流電機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。直流電機(jī)具有：（1）優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范圍寬廣。（2）過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載。（3）要實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn)。（4）能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求等特點(diǎn)。因此直流電機(jī)在需要寬廣調(diào)速的場合和要求有特殊運(yùn)行性能的自動控制系統(tǒng)中，一直占有突出的地位。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，使直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善，直流調(diào)速裝置也越來越多地應(yīng)用于冶金、化工、煤炭和運(yùn)輸?shù)戎T多領(lǐng)域，成為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化的重要基礎(chǔ)設(shè)備。然而，大功率直流調(diào)速裝置將大量的諧波和無功率注入電網(wǎng)，使電網(wǎng)的電能質(zhì)量下降，引起“電網(wǎng)污染”問題。因此，認(rèn)識和分析大功率直流調(diào)速裝置諧波產(chǎn)生的原因及其危害，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)具有重要意義。

一、玻璃鋼化設(shè)備生產(chǎn)過程簡述

普通玻璃的鋼化一般分為物理鋼化和化學(xué)鋼化兩類。將普通玻璃加熱至700℃左右，迅速冷卻成型后的玻璃稱（物理）鋼化玻璃，其表面呈壓應(yīng)力而內(nèi)部呈張應(yīng)力，其強(qiáng)度是普通玻璃的4倍，抗沖擊性是普通玻璃的3倍，可經(jīng)受300℃的溫差變化而不破裂。鋼化玻璃破碎后，變成邊部呈鈍角的細(xì)小顆粒，可減輕對人或物的傷害程度。

我公司F45U鋼化爐的玻璃鋼化風(fēng)機(jī)由4臺300HP直流電機(jī)（1#-4#）帶動的風(fēng)機(jī)構(gòu)成，上下兩個風(fēng)道，分別從玻璃的上部和下部兩個方向?qū)ΣＡнM(jìn)行鋼化，每個風(fēng)道由2臺串聯(lián)風(fēng)機(jī)組成，以提供足夠的風(fēng)量和風(fēng)壓；每個風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)口均設(shè)有風(fēng)門擋板；當(dāng)玻璃鋼化時，上下風(fēng)道的出風(fēng)口擋板完全打開，而進(jìn)風(fēng)口擋風(fēng)板打開至PLC設(shè)定的開度，8S后，上風(fēng)道進(jìn)、出風(fēng)口的擋板均完全關(guān)閉，下風(fēng)道出風(fēng)口通過出風(fēng)口擋板切換至另一個出風(fēng)口把鋼化玻璃吹起，通過傳送帶輸送到冷卻段。鋼化玻璃在冷卻段由兩臺75HP的三相交流異步電動機(jī)（5#、6#）帶動的風(fēng)機(jī)冷卻，直至下一個工作周期。鋼化風(fēng)壓和風(fēng)量通過直流調(diào)速裝置調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。4臺300HP直流電機(jī)接于380V低壓母線，通過1600KVA配電變與10KV電網(wǎng)相連，該電機(jī)采用六脈動三相橋式可控硅整流調(diào)速。75HP的三相交流異步電動機(jī)與380V低壓母線并聯(lián)運(yùn)行，配電房主接線如附圖1。

附圖1 配電房主接線及諧波測點(diǎn)

我公司在起動調(diào)試階段發(fā)生了5#風(fēng)機(jī)使用不久燒毀，6#風(fēng)機(jī)空載電流很大（145A）的事故。為查明問題的原因，我公司委托浙江省電力試驗(yàn)研究所對現(xiàn)場低壓母線的高次諧波分量進(jìn)行實(shí)測。測量結(jié)果顯示4臺直流電機(jī)在1200RPM和風(fēng)門全開情況下，現(xiàn)場開關(guān)柜內(nèi)二條母線和變電所二段母線上，電壓總畸變系數(shù)最大為15.83%和6.18%，是《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》（GB/T14549-1993）國家規(guī)定允許值5%的3.17倍和1.24倍。當(dāng)4臺直流電機(jī)停運(yùn)時，原交流系統(tǒng)的背景諧波總畸變?yōu)?.31%，最大奇次1.11%，最大偶次為0.09%，遠(yuǎn)小于國家規(guī)定允許值。由此看出，諧波源來自4臺直流調(diào)速裝置。

二、直流調(diào)速裝置諧波的產(chǎn)生

我公司4用臺直流電機(jī)采用速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（附圖2），該系統(tǒng)有兩個反饋回路，構(gòu)成雙閉環(huán)。其中一個是由電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的電流環(huán)，另一個是由速度調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的速度環(huán)。在電路中，ASR和ACR實(shí)行串級連接，即以ASR的輸出作為ACR的輸入，實(shí)現(xiàn)兩種作用的配合控制。速度調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR均為比例積分調(diào)節(jié)器，其輸入和輸出均設(shè)有限幅電路（圖中未畫出）。ASR的限幅值為Usim，它主要限制最大電流Idm，ACR的輸出限幅值為Ukm，它主要限制晶閘管整流裝置的最大輸出電壓Udom。

附圖2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖

晶閘管整流裝置采用六脈動三相橋式可控硅整流（附圖3），

附圖3 六脈動整流器電路圖

對附圖3而言，交流電流波形可分解為一系列諧波電流分量：

諧波電流值大約為

其中：In-n次諧波電流幅值；I1-基波電流幅值；N-諧波次數(shù)

由上式可見，注入系統(tǒng)的諧波是6N±1次（N為正整數(shù)），即5次、7次、11次、13次、…等等，實(shí)測結(jié)果也是這些特征諧波含量最大，和我公司情況相符。

三、諧波的危害

電網(wǎng)中的諧波污染常常對設(shè)備的工作產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，其危害一般表現(xiàn)為：

1）諧波電流使輸電電纜損耗增大，輸電能電降低，絕緣加速老化，泄漏電流增大，嚴(yán)重的甚至引起放電擊穿。

2）使電動機(jī)損耗增大，發(fā)熱增加，過載能力、壽命和效率降低，甚至造成設(shè)備損壞。

3）容易使電網(wǎng)與用作補(bǔ)償無功功率的并聯(lián)電容器發(fā)生諧振，造成過電壓或過電流，使電容器組絕緣老化甚至燒壞。

4）諧波電流流過變壓器繞組，增大附加損耗，使繞組發(fā)熱，加速絕緣老化，并發(fā)出噪聲。

5）使大功率電動機(jī)的勵磁系統(tǒng)受到干擾而影響正常工作。

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