變頻器諧波干擾及其防治措施

何春輝

大連東浩熱力有限公司

變頻器諧波干擾及其防治措施

何春輝

大連東浩熱力有限公司

變頻器因其體積小、重量輕、成本低及效率高等優(yōu)點(diǎn)在各生產(chǎn)領(lǐng)域中倍受青睞，特別是在風(fēng)機(jī)、水泵等傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。變頻器的應(yīng)用雖然產(chǎn)生了顯著的節(jié)能效益，但隨之而來(lái)的諧波問(wèn)題不容忽視。諧波電流注入電網(wǎng)，不僅增加輸電線的損耗，縮短輸電線壽命，而且還會(huì)使熔斷器在沒(méi)有超過(guò)整定值時(shí)就熔斷，增加旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的損耗、增大電動(dòng)機(jī)噪聲、產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，造成繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置工作紊亂，由于容抗對(duì)諧波的擴(kuò)大作用，很小的諧波電壓就可以引起很大的諧波電流，導(dǎo)致電容器因過(guò)流而損壞。諧波危害日趨嚴(yán)重，諧波電流污染已經(jīng)成為影響供電質(zhì)量的重要問(wèn)題。

變頻器；諧波；防治措施

1 變頻器諧波的產(chǎn)生

變頻器主要由整流電路、逆變電路及控制電路組成，其中整流電路和逆變電路由電力電子器件組成。電力電子器件具有非線性特性，當(dāng)變頻器運(yùn)行時(shí)，它要進(jìn)行快速開關(guān)動(dòng)作，這樣就會(huì)產(chǎn)生高次諧波。從結(jié)構(gòu)來(lái)看，變頻器可分為間接變頻和直接變頻兩大類。間接變頻將工頻電流通過(guò)整流器變成直流，然后再經(jīng)過(guò)逆變器將直流變換成可控頻率的交流。直接變頻器則將工頻交流變換成可控頻率的交流，沒(méi)有中間的直流環(huán)節(jié)。它的每相都是一個(gè)兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，正反兩組按一定周期相互切換，在負(fù)荷上就獲得了交變輸出的電壓U0，U0的幅值決定于各整流裝置的控制角，頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率。

目前應(yīng)用較多的還是間接變頻器。間接變頻有三種不同的結(jié)構(gòu)形式：

1)用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調(diào)壓和調(diào)頻分別是在兩個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合。2)用不控整流器整流斬波器變壓、逆變器變頻，這種變頻器整流環(huán)節(jié)用斬波器，用脈寬調(diào)壓。3)用不控整流器整流，PWM逆變器同時(shí)變頻，這種變頻器只有采用可控關(guān)斷的全控式器件(如IGBT等)輸出波形非常逼真的正弦波。

無(wú)論是何種變頻器，都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件，不管采用哪種整流方式，變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式均不是連續(xù)的正弦波，而是以脈動(dòng)的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動(dòng)電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動(dòng)電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上，使電壓發(fā)生畸變，經(jīng)傅里葉分析可知，這種非同期正弦波電流是由于頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成。

2 諧波的危害

變頻器諧波污染的危害主要集中在以下三個(gè)方面：①變頻器諧波導(dǎo)致電力系統(tǒng)損耗增加。根據(jù)集膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)可知，頻率越大，線路阻抗越大，由諧波帶來(lái)的損耗就會(huì)增加，由此會(huì)引起附加的銅損和線路的額外溫升。諧波使得供用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電和用電設(shè)備的效率。對(duì)于供電線路來(lái)講，發(fā)熱和溫升會(huì)導(dǎo)致線路絕緣層的老化，輕則影響線路的供電質(zhì)量，縮短了電線使用壽命，重則引發(fā)火災(zāi)、觸電等安全事故，該危害是不容忽視的。②高次諧波會(huì)嚴(yán)重影響電容器組的正常工作。由電路原理知識(shí)可知，頻率越大，電容器的阻抗值越大，高次諧波作用下電容器的阻抗值遠(yuǎn)小于電容器在基波作用下的阻抗值，因此，相對(duì)于電壓波形畸變來(lái)講，電流波形畸變的程度更加嚴(yán)重；尤其是電網(wǎng)中電感和電容器組成串并聯(lián)形式，在恰當(dāng)?shù)闹C波頻率出會(huì)產(chǎn)生串并聯(lián)諧波共振，此種情況下即使很小的諧波電壓也會(huì)產(chǎn)生很大的諧波電流，例如對(duì)于由電網(wǎng)感性負(fù)荷和電容器組構(gòu)成的并聯(lián)諧振回路中，諧波電流會(huì)被放大大約10～15倍，由此電容器處于嚴(yán)重的過(guò)負(fù)荷工作狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間處于這一狀態(tài)時(shí)會(huì)影響電容器的使用壽命，同時(shí)大電流會(huì)引起震動(dòng)和噪聲。③諧波會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成嚴(yán)重影響。當(dāng)諧波注入電網(wǎng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器等電器設(shè)備產(chǎn)生噪聲、發(fā)熱嚴(yán)重，降低其工作效率，影響正常工作，縮短使用壽命甚至損壞設(shè)備；此外，諧波干擾還會(huì)影響計(jì)量設(shè)備和指示設(shè)備的計(jì)量指示精度，加大了誤差。④變頻器還會(huì)對(duì)電子設(shè)備和通信設(shè)備產(chǎn)生干擾。具體來(lái)講，變頻器會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制裝置造成感應(yīng)干擾，對(duì)無(wú)線電通信設(shè)備產(chǎn)生輻射干擾，從而影響弱電設(shè)備的正常工作，引發(fā)誤動(dòng)作。由以上可知，變頻器應(yīng)用于電力系統(tǒng)時(shí)，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重的諧波干擾問(wèn)題，要求我們針對(duì)此提出科學(xué)合理的解決方案。

3 變頻器諧波的治理方法

3.1 變頻器的隔離、屏蔽、接地

變頻器系統(tǒng)的供電電源與其它設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立，或在變頻器和其它用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器?；蛘邔⒆冾l器放入鐵箱內(nèi)，鐵箱外殼接地。同時(shí)變頻器輸出電源應(yīng)盡量遠(yuǎn)離控制電纜敷設(shè)(不小于50mm間距)，必須靠近敷設(shè)時(shí)盡量以正交角度跨越，必須平行敷設(shè)時(shí)盡量縮短平行段長(zhǎng)度(不超過(guò)1mm)，輸出電纜應(yīng)穿鋼管并將鋼管作電氣連通并可靠接地。

3.2 加裝交流電抗器和直流電抗器

當(dāng)變頻器使用在配電變壓器容量大于500kVA，且變壓器容量大于變頻器容量的10倍以上，則在變頻器輸入側(cè)加裝交流電抗器。而當(dāng)配電變壓器輸出電壓三相不平衡，且不平衡率大于3%時(shí)，變頻器輸入電流峰值很大，會(huì)造成導(dǎo)線過(guò)熱，則此時(shí)需加裝交流電抗器。嚴(yán)重時(shí)則需加裝直流電抗器。

3.3 加裝無(wú)源濾波器

將無(wú)源濾波器安裝在變頻器的交流側(cè)，無(wú)源濾波器由L、C、R元件構(gòu)成諧波共振回路，當(dāng)Lc回路的諧波頻率和某高次諧波電流頻率相同時(shí)，即可阻止高次諧波流入電網(wǎng)。無(wú)源濾波器特點(diǎn)是：投資少，頻率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠及維護(hù)方便。無(wú)源濾波器缺點(diǎn)是：濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響，對(duì)某些諧波有放大的可能、耗費(fèi)多、體積大。

3.4 加裝有源濾波器

早在20世紀(jì)70年代初，日本學(xué)者就提出有源濾波器的概念，有源濾波器通過(guò)對(duì)電流中高次諧波進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果輸入與高次諧波成分具有相反相位的電流，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。與無(wú)源濾波器相比具有高度可控性和快速響應(yīng)性，有一機(jī)多能特點(diǎn)。且可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)。也可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化的諧波。但存在容量大，價(jià)格高等問(wèn)題。

3.5 加裝無(wú)功功率靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置

對(duì)于大型沖擊性負(fù)荷，可裝設(shè)無(wú)功功率的靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置，以獲得補(bǔ)償負(fù)荷快速變動(dòng)的無(wú)功需求，改善功率因數(shù)，濾除系統(tǒng)諧波，減少向系統(tǒng)注入諧波電流，穩(wěn)定母線電壓，降低三相電壓不平衡度，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力。而其中以自飽和電抗型(SR型)的效果最好，其電子元件少，可靠性高，反應(yīng)速度快，維護(hù)方便經(jīng)濟(jì)，且我國(guó)一般變壓器廠均能制造。

結(jié)語(yǔ)

變頻調(diào)速的應(yīng)用使交流傳動(dòng)上了一個(gè)新臺(tái)階，變頻器的使用給人們帶來(lái)了方便和利益同時(shí)，變頻器諧波干擾的嚴(yán)重性也給設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行帶來(lái)潛在威脅，造成公用電網(wǎng)破壞，成為電網(wǎng)諧波污染源之一，所以，最大限度地抑制變頻器諧波產(chǎn)生仍是有待解決的大課題。

[1]邵興華.變頻器干擾問(wèn)題及其防治措施[J].科技風(fēng)，2010，20：198.

[2]杜文蛟.通用變頻器應(yīng)用中的諧波問(wèn)題及其應(yīng)對(duì)措施[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2012，07：52-54.