王　浩

[摘要]從諧波的概念入手,結(jié)合變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí),分析變頻器諧波產(chǎn)生的原因及其影響,在此基礎(chǔ)上提出控制諧波的常用方法。

[關(guān)鍵詞]變頻器諧波影響控制

中圖分類(lèi)號(hào):TM4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0710023-01

一、前言

近年來(lái)變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用,其節(jié)能效果顯著、調(diào)節(jié)方便、維護(hù)簡(jiǎn)單等受到了許多用戶(hù)的喜愛(ài),但其干擾問(wèn)題也已受到了許多技術(shù)人員的關(guān)注。世界許多國(guó)家都對(duì)諧波問(wèn)題發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局于1993年發(fā)布了中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》,該標(biāo)準(zhǔn)自1994年3月1日起開(kāi)始實(shí)施。

二、變頻器的工作原理及其諧波的產(chǎn)生

(一)變頻器的工作原理。改變工頻電源的頻率和電壓,從而改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的大小和頻率是正比關(guān)系,和功耗三次方成比例。在不需要電機(jī)全速運(yùn)行的時(shí)候?qū)崟r(shí)的降低其轉(zhuǎn)速可以大大節(jié)省能耗。

變頻器就是利用這一原理將50Hz的工頻電通過(guò)整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)方向的交流電源。變頻器輸入部分為整流電路,輸出部分為逆變電路,這些都是由非線(xiàn)性原件組成的,在開(kāi)斷過(guò)程中,其輸入端和輸出端都會(huì)產(chǎn)生高次諧波。另外變頻器輸入端的諧波還會(huì)通過(guò)輸入電源線(xiàn)對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生影響。

(二)諧波的產(chǎn)生。變頻器輸入側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理,對(duì)于變頻器而言,只要是電源側(cè)有整流回路的,都將產(chǎn)生因非線(xiàn)性引起的諧波。變頻器輸出側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理:在逆變輸出回路中,輸出電壓和輸出電流均有諧波。由于變頻器是通過(guò)CPU產(chǎn)生6組脈寬可調(diào)的SPWM波控制三相的6組功率元件導(dǎo)通/關(guān)斷,從而形成電壓、頻率可調(diào)的三相輸出電壓。其輸出電壓和輸出電流是由SPWM波和三角載波的交點(diǎn)產(chǎn)生的,不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波,如電壓型變頻器,其輸出電壓波形為方形波,用傅氏級(jí)數(shù)分解電壓方波和電流正弦鋸齒波可分析出包含較強(qiáng)的高次諧波成分,高次諧波對(duì)設(shè)備產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾,甚至造成設(shè)備不能使用,周?chē)鷥x器信號(hào)失真。諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線(xiàn)性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí),與所加的電壓不呈線(xiàn)性關(guān)系,就形成非正弦電流,從而產(chǎn)生諧波。

三、諧波在實(shí)際生產(chǎn)中的影響

一般來(lái)講,變頻器對(duì)容量相對(duì)較大的電力系統(tǒng)影響不很明顯,而對(duì)容量小的系統(tǒng),諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視,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,它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化,給周?chē)耐ㄐ畔到y(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來(lái)危害。對(duì)供電線(xiàn)路產(chǎn)生了附加諧波損耗,造成電能的浪費(fèi),使導(dǎo)線(xiàn)過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短、損壞甚至發(fā)生火災(zāi)等;諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作,對(duì)發(fā)電機(jī)的影響產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓;對(duì)斷路器,當(dāng)電流波形過(guò)零點(diǎn)時(shí),由于諧波的存在可能造成高的di/dt,這將使開(kāi)斷困難,并且延長(zhǎng)故障電流的切除時(shí)間;諧波使電網(wǎng)中的電容器產(chǎn)生諧振,諧振將放大諧波電流,導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀;諧波將使繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)作,并使儀表和電能計(jì)量出現(xiàn)較大誤差;諧波對(duì)其他系統(tǒng)及電力用戶(hù)危害也很大:如對(duì)附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,輕者出現(xiàn)噪聲,降低通信質(zhì)量,重者丟失信息,使通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作;影響電子設(shè)備工作精度,使精密機(jī)械加工的產(chǎn)品質(zhì)量降低,設(shè)備壽命縮短,家用電器工況變壞等。

四、控制諧波的幾種方法

控制諧波的總體思路有三個(gè):其一是裝置諧波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波;其二是對(duì)電力系統(tǒng)裝置本身進(jìn)行改造,使其不產(chǎn)生諧波,且功率因數(shù)可控為1;其三是在電網(wǎng)系統(tǒng)中采用適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)抑制諧波。具體方法有以下幾種:

(一)選用適當(dāng)?shù)碾娍蛊鳌?.輸入電抗器。在電源與變頻器輸入側(cè)之間串聯(lián)交流電抗器,這樣可使整流阻抗增大來(lái)有效抑制高次諧波電流,減少電源浪涌對(duì)變頻器的沖擊,改善三相電源的不平衡性,提高輸入電源的功率因數(shù)(提高到0.75-0.85),這樣進(jìn)線(xiàn)電流的波形畸變大約降低30%～50%,是不加電抗器諧波電流的一半左右。2.在直流環(huán)節(jié)串聯(lián)直流電抗器。直流電抗器串聯(lián)在直流中間環(huán)節(jié)母線(xiàn)中(端子+,-之間)。主要是減小輸入電流的高次諧波成分,提高輸入電源的功率因數(shù)(提高到0.95)。此電抗器可與交流電抗器同時(shí)使用,變頻器功率>30kW時(shí)才考慮配置。3. 輸出電抗器(電機(jī)電抗器)。由于電機(jī)與變頻器之間的電纜存在分布電容,尤其是在電纜距離較長(zhǎng),且電纜較粗時(shí),變頻器經(jīng)逆變輸出后調(diào)制方波會(huì)在電路上產(chǎn)生一定的過(guò)電壓,使電機(jī)無(wú)法正常工作,可以通過(guò)在變頻器和電機(jī)間連接輸出電抗器來(lái)進(jìn)行限制。

(二)選用適當(dāng)濾波器。在變頻器輸入、輸出電路中,有許多高頻諧波電流,濾波器用于控制變頻器產(chǎn)生的電磁干擾噪聲的傳導(dǎo),也可控制外界無(wú)線(xiàn)電干擾以及瞬時(shí)沖擊、浪涌對(duì)變頻器的干擾。根據(jù)使用位置的不同可以分為輸入濾波器和輸出濾波器。輸入濾波器有線(xiàn)路濾波器和輻射濾波器2種。

除傳統(tǒng)的LR,LC濾波器還在應(yīng)用以外,當(dāng)前控制諧波的重要趨勢(shì)是采用有源電力濾波器,它串聯(lián)或并聯(lián)于主電路中,實(shí)時(shí)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電流,達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流目的,從而使電網(wǎng)電流只含基波電流。它與無(wú)源濾波器相比,具有高度可控性和快速響應(yīng)性,且可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振危險(xiǎn),但存在容量大,價(jià)格高的特點(diǎn)。

對(duì)于工作性質(zhì)是節(jié)能性的(同時(shí)有調(diào)節(jié)作用)大容量的電動(dòng)機(jī),為了改善電機(jī)的運(yùn)行工況,降低發(fā)熱量,應(yīng)考慮單獨(dú)串聯(lián)加裝電抗器。

對(duì)于工作電流較大(基本運(yùn)行在額定容量下)的電動(dòng)機(jī),為了減少電機(jī)的發(fā)熱量、降低運(yùn)行電流,使電氣元件的運(yùn)行可靠度提高(空開(kāi)、斷路器),應(yīng)單獨(dú)串聯(lián)加裝電抗器和濾波器。

對(duì)于類(lèi)似于工業(yè)水泵電機(jī)變頻器這樣的小容量、多臺(tái)安裝的變頻裝置,單獨(dú)增加濾波設(shè)備顯然投入太大,且現(xiàn)有空間有限,則應(yīng)考慮在低壓母線(xiàn)上直接安裝有源濾波器。

(三)開(kāi)發(fā)新型的變頻器?，F(xiàn)在許多廠家提出生產(chǎn)名為“綠色變頻器”該變頻器品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn):輸出和輸入都為正弦波,輸入功率因數(shù)可控,帶任何負(fù)載都能使功率因數(shù)為1,可獲工頻上下任意可控的輸出頻率。變頻器內(nèi)置的交流電抗器能有效控制諧波,同時(shí)可以保護(hù)整流橋不受電源電壓瞬間尖波影響。

目前,我公司投入使用的變頻器共26臺(tái),其中絕大部分變頻器在安裝時(shí)沒(méi)有考慮諧波對(duì)電網(wǎng)的影響,因而沒(méi)有附帶消諧裝置,其普遍現(xiàn)象是電機(jī)發(fā)熱量大、低頻運(yùn)行抖動(dòng)、噪聲等較工頻運(yùn)行的電機(jī)大,且變頻器運(yùn)行時(shí)容易誤動(dòng)作等,追其根源均是因高次諧波擾動(dòng)所致。因此在以后的技術(shù)改造中,應(yīng)對(duì)以上類(lèi)似設(shè)備所在線(xiàn)路補(bǔ)加電抗器,濾波器等消諧裝置,這樣才能在節(jié)能同時(shí),真正達(dá)到設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行,確保裝置平穩(wěn)生產(chǎn)。

五、結(jié)論

本文從諧波的概念入手,分析變頻器諧波產(chǎn)生的原因及其帶來(lái)的影響,在此基礎(chǔ)上提出了控制諧波的常用方法,相信會(huì)取得較好的效果,滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。