淺談變頻空調(diào)對(duì)車輛供電電源的影響及解決方案

徐萬(wàn)寶

吉林省長(zhǎng)春市中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 吉林長(zhǎng)春 130013

隨著軌道交通的快速發(fā)展，變頻空調(diào)以其啟動(dòng)電流小、噪音低、能耗少、制冷制熱快等特點(diǎn)，獲得了越來越多地鐵公司的青睞。變頻空調(diào)這一非線性負(fù)載，在電路中產(chǎn)生的諧波會(huì)根據(jù)使用環(huán)境而影響供電電源的穩(wěn)定，嚴(yán)重的情況下會(huì)引起電氣設(shè)備損壞。

1 空調(diào)的種類和區(qū)別

目前軌道車輛的空調(diào)基本上分為定頻空調(diào)和變頻空調(diào)兩類，而變頻空調(diào)又有“直流變頻”與“交流變頻”兩大分支。變頻和定頻空調(diào)主要的區(qū)別就是在壓縮機(jī)運(yùn)行的方式不同。變頻空調(diào)的壓縮機(jī)通過不停機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)地鐵車廂內(nèi)的溫度，車廂內(nèi)溫溫度穩(wěn)定時(shí)，空調(diào)狀態(tài)會(huì)轉(zhuǎn)為低頻的狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，恒定且智能的調(diào)節(jié)車廂內(nèi)的溫度，而定頻空調(diào)則需要通過手動(dòng)控制來空調(diào)冷熱的開關(guān)和溫度設(shè)置來實(shí)現(xiàn)節(jié)車廂內(nèi)溫的調(diào)節(jié)[1]。

2 軌道車輛變頻空調(diào)和定頻空調(diào)的運(yùn)行原理

定頻空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速是固定的，通過手動(dòng)控制來調(diào)節(jié)車廂內(nèi)溫度，溫度控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，以額定功率來進(jìn)行制熱或制冷。當(dāng)車廂內(nèi)溫制冷到比空調(diào)設(shè)定溫度低后，空調(diào)停止工作，當(dāng)車廂內(nèi)溫比空調(diào)設(shè)定溫度高時(shí)，空調(diào)開始制冷工作。通過此工作玄幻，使車廂內(nèi)溫控制在一個(gè)穩(wěn)定舒適的范圍。

變頻空調(diào)是在定頻空調(diào)的基礎(chǔ)上選用了變頻專用壓縮機(jī)，增加了變頻控制系統(tǒng)。它的基本結(jié)構(gòu)和制冷原理和普通空調(diào)完全相同。變頻空調(diào)的主機(jī)是自動(dòng)進(jìn)行無(wú)級(jí)變速的，它可以根據(jù)車廂內(nèi)溫度對(duì)的情況自動(dòng)提供所需的冷（熱）量；當(dāng)車廂內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)置值后，空調(diào)主機(jī)則以能夠準(zhǔn)確保持這一溫度的恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)“不停機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)”，從而保證環(huán)境溫度的穩(wěn)定。目前變頻空調(diào)主要工作原理是輸入端對(duì)三相電源進(jìn)行整流，然后進(jìn)行逆變，通過變換逆變輸出的電壓值及頻率從而實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)組的變頻，在此工作原理工作下的變頻空調(diào)為非線性負(fù)載[2]。

3 非線性負(fù)載

非線性負(fù)載是指內(nèi)含整流設(shè)備，或具有非線性阻抗特征的用電設(shè)備從電力系統(tǒng)汲取功率的負(fù)載。在電路中，電流與電壓不成線性關(guān)系，在負(fù)載的投入、運(yùn)行過程中，電壓和電流的關(guān)系是經(jīng)常變化的。所謂非線性，就是自變量和變量之間不成線性關(guān)系，成曲線或者其他關(guān)系?；蛘哒f其阻抗隨外施加的電壓或電流的變化而變化，也就是說其阻抗是電壓或電流的函數(shù)。用函數(shù)解釋則為：y=f（x），當(dāng)為一次函數(shù)時(shí)，y與x是線性關(guān)系，為其他條件在為非線性關(guān)系。因此，非線性負(fù)載的特征是會(huì)引起供電系統(tǒng)電壓或電流波形的突變。

4 非線性負(fù)載對(duì)供電電源的影響及其特征

非線性負(fù)載作為諧波源，會(huì)向供電系統(tǒng)輸入數(shù)量巨大的高次諧波，這些高次諧波直接導(dǎo)致供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行和電氣設(shè)備的不正常工作，對(duì)供電系統(tǒng)和電氣設(shè)備帶來嚴(yán)重的危害。例如：增大銅、鐵的損耗，產(chǎn)生噪聲，設(shè)備過。同時(shí)還可能讓旋轉(zhuǎn)設(shè)備發(fā)生反方向轉(zhuǎn)矩的情況，造成機(jī)械熱耗和損傷。當(dāng)高次諧波夾雜在供電電路里時(shí)，會(huì)危害電氣設(shè)備的絕緣水平，增加介質(zhì)損耗，導(dǎo)致充電電流增大，從而引起各種故障[3]。

4.1 非線性負(fù)載的特征

（1）產(chǎn)生大量的諧波污染。非線性負(fù)載無(wú)不例外的會(huì)產(chǎn)生不同程度諧波，沖擊性負(fù)載發(fā)出連續(xù)頻譜的諧波電流，更有甚者產(chǎn)生大量的分?jǐn)?shù)次諧波；（2）引起電壓波動(dòng)及電壓閃變；（3）產(chǎn)生負(fù)序電流。非線性負(fù)載的不對(duì)稱性會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流，其主要負(fù)載就是電氣化軌道的客車。

4.2 非線性負(fù)載對(duì)供電系統(tǒng)穩(wěn)定的影響

諧波使供電電壓波形畸變，導(dǎo)致供電質(zhì)量下降。同時(shí)，電路經(jīng)過諧波電流后有發(fā)生諧振的潛在危險(xiǎn)，諧振現(xiàn)象一旦出現(xiàn)將出現(xiàn)的過電流、過電壓?jiǎn)栴}，促使供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行受到進(jìn)一步危害，基本表現(xiàn)為：（1）使保護(hù)裝置、繼電器誤動(dòng)或拒動(dòng)，如零序電流過流極易造成接地保護(hù)誤動(dòng)的情況；（2）供電線路的容量降低；（3）諧波會(huì)影響信息傳輸質(zhì)量；（4）電路中的諧波可能導(dǎo)致長(zhǎng)距離輸電無(wú)法單相重合閘成功；（5）影響到避雷器的正常運(yùn)行；（6）使開關(guān)的開斷更加困難；（7）阻礙開關(guān)的正常開斷。

5 目前解決變頻空調(diào)對(duì)供電電源影響通常使用的方法

（1）變頻空調(diào)的隔離、屏蔽、接地：?jiǎn)为?dú)設(shè)置變頻空調(diào)的供電電源，與其它設(shè)備的供電電源分別布置，或?qū)⒏綦x變壓器安裝在變頻空調(diào)和其它用電設(shè)備的輸入側(cè)。

（2）加裝交、直流電抗器：當(dāng)配電變壓器容量大于一定數(shù)值時(shí)，10倍以上的變壓器容量大于變頻器容量，則需在變頻空調(diào)輸入端增加交流電抗器。而當(dāng)配電變壓器輸出電壓三相不平衡，且大于3%的不平衡率時(shí)，變頻空調(diào)輸入電流峰值會(huì)特別大，極易造成電路過熱，此時(shí)也需安裝交流電抗器。如果情況更惡劣，則需安裝直流電抗器。

（3）在非線性負(fù)載與供電系統(tǒng)輸出間增加無(wú)源濾波單元：在變頻空調(diào)的交流端安裝無(wú)源濾波器，無(wú)源濾波器通過 L、 C、 R元件組成諧波共振回路，當(dāng)某一次高次諧波電流頻率與 LC回路的諧波頻率相同時(shí)，就能阻止電路中高次諧波的流入。此方案的特點(diǎn)是、高效率、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便和運(yùn)行可靠。缺點(diǎn)是系統(tǒng)參數(shù)會(huì)對(duì)濾波造成影響，同時(shí)有可能放大某些次諧波導(dǎo)致消耗多、體積大。

（4）在非線性負(fù)載與供電系統(tǒng)輸出間增加有源濾波單元：上世紀(jì)初，有科研人員提出有源濾波器的理論設(shè)想，通過有源濾波器檢測(cè)電流中的高次諧波，而后跟根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果，輸入與高次諧波成分具有相反相位電流，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償諧波電流的目的（實(shí)時(shí)補(bǔ)償）。有源濾波器與無(wú)源濾波器相比具有快速響應(yīng)性和高度可控性，特點(diǎn)是一機(jī)多能，且可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振危險(xiǎn)，亦能自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化的諧波。但存在容量大，價(jià)格高昂等特點(diǎn)。形，也有非常良好的效果。

6 結(jié)語(yǔ)

由此可見，供電系統(tǒng)輸出電壓在大量非線性負(fù)載情況下，必然被動(dòng)顯現(xiàn)大量諧波，所以，在選擇變頻空調(diào)時(shí)，應(yīng)注意供電電源及供電電路的選擇，避免因變頻空調(diào)這一非線性負(fù)載工作時(shí)對(duì)供電電源的影響，進(jìn)而導(dǎo)致其他設(shè)備的損壞。