劉治國(guó)+牛波+沈?yàn)]

摘 要： 節(jié)能減排是擺在世界人們面前的亟待解決的大問(wèn)題，變頻器在電廠中的廣泛應(yīng)用為節(jié)約能源起到了巨大作用。變頻器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量的高次諧波，而且眾多的變頻器諧波會(huì)相互疊加，諧波將會(huì)影響電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，還會(huì)導(dǎo)致供電設(shè)備發(fā)熱損壞，嚴(yán)重干擾電源及周圍的電氣和電子設(shè)備的運(yùn)行，為了消除這些干擾，必須進(jìn)行變頻器諧波干擾分析。

關(guān)鍵詞： 變頻器；諧波；干擾分析

0引言

隨著低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的低碳經(jīng)濟(jì)模式不斷推廣，以能源技術(shù)創(chuàng)新為核心的變革正大步走入我們的生產(chǎn)生活當(dāng)中。出于節(jié)約能源和自動(dòng)化控制的目的變頻調(diào)速技術(shù)電廠及其他領(lǐng)域被大規(guī)模應(yīng)用，不僅數(shù)量多、功率大，并被密集使用，在工業(yè)變頻器給大家?guī)?lái)高效節(jié)能、控制精確的同時(shí)，也產(chǎn)生了諸多的不利的影響，如諧波干擾、電磁干擾等等，尤其是在今天電廠等實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)總線控制的領(lǐng)域，問(wèn)題尤為突出。

1問(wèn)題的提出

變頻器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量的高次諧波，而且眾多的變頻器諧波會(huì)相互疊加，諧波將會(huì)影響電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，還會(huì)導(dǎo)致供電設(shè)備發(fā)熱損壞，嚴(yán)重干擾電源及周圍的電氣和電子設(shè)備的運(yùn)行。同時(shí)，變頻器的電磁干擾會(huì)對(duì)控制設(shè)備尤其是現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的干擾更大。為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行原因分析，并據(jù)此提出相應(yīng)措施，使這種高效節(jié)能的技術(shù)再生產(chǎn)中更好的發(fā)揮作用。

2變頻器諧波干擾分析

2.1 變頻器諧波的產(chǎn)生及危害

采用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速，變頻器輸入側(cè)為整流回路，具有非線性特性，產(chǎn)生的高次諧波使輸入電源的電流波形、電壓波形發(fā)生畸變；變頻器輸出側(cè)為一系列矩形波組成的脈寬調(diào)制的接近于三相正弦波形的交流電，輸出電壓和電流波形中均含有高次諧波，每一個(gè)變頻器作為諧波電力源，向電源母線注入諧波電流，由于每一段母線上帶有10多臺(tái)變頻器，因此產(chǎn)生大量的諧波電流，諧波電流會(huì)在系統(tǒng)上產(chǎn)生相應(yīng)的諧波壓降，在母線上引起電壓畸變。同時(shí)低壓母線上的諧波電流通過(guò)系統(tǒng)在更高的電壓母線上引起電流和電流和電壓畸變，因此諧波直接影響到了各級(jí)母線的電能質(zhì)量。

諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害大致有以下幾個(gè)方面：

2.1.1諧波對(duì)變壓器的危害：由于電流的趨膚效應(yīng)，增加了銅損；高頻渦流會(huì)增加鐵損。由于損耗的增加，導(dǎo)致過(guò)熱、效率降低；發(fā)熱降容，導(dǎo)致變壓器超載甚至絕緣損壞。

2.1.2諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害：由于電流的趨膚效應(yīng)，增加了銅損；高頻渦流會(huì)增加鐵損。會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，功率下降，易造成電動(dòng)機(jī)絕緣損壞，諧波還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，噪音和過(guò)電壓，諧振電壓使電機(jī)絕緣老化容易擊穿。

2.1.3諧波對(duì)電纜的危害：同樣的電氣原理，會(huì)使電纜發(fā)熱增加，電纜過(guò)熱。容易引起絕緣擊穿斷路或火災(zāi)燒毀電纜。

2.1.4諧波會(huì)引起系統(tǒng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，而使諧波放大，瞬間過(guò)電壓放電。

2.1.5諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，會(huì)使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。

2.1.6諧波會(huì)使臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，產(chǎn)生噪聲，減低通訊質(zhì)量或數(shù)據(jù)丟失。

3諧波干擾的治理及防止

為了減少變頻器諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害，減少諧波對(duì)電氣設(shè)備的影響，探討采用以下措施。

3.1 變壓器接線組別采用30°相角差

變頻器注入系統(tǒng)的特征諧波電流次數(shù)與脈動(dòng)數(shù)有關(guān)，當(dāng)脈動(dòng)數(shù)增多時(shí)，產(chǎn)生的諧波次數(shù)次數(shù)增高，減少了諧波源產(chǎn)生的諧波電流。大多變頻器為6脈動(dòng)變頻器，變壓器成對(duì)設(shè)置，分別采用Y，y12和Y，d11接線組別，使二次側(cè)電壓移向30°，從而在高壓側(cè)使5、7、17、19等次諧波成對(duì)抵消，減少了注入系統(tǒng)的諧波電流。

3.2獨(dú)立設(shè)置變頻器電源

由于采用了變壓器移相30°的措施，在附近的其他電氣設(shè)備要單獨(dú)采用其他電源供電，使變頻器諧波不會(huì)直接傳導(dǎo)到其他電源系統(tǒng)，可以有效的抑制變頻器諧波干擾。

3.3變頻器前后設(shè)置感性濾波裝置

為了減少變頻器諧波對(duì)電源的污染，變頻器配置輸入濾波器，為了減少對(duì)電機(jī)影響，調(diào)節(jié)PWM輸出波形，減低du/dt和峰值電壓，降低電動(dòng)機(jī)承受的電應(yīng)力，變頻器配置輸出濾波器。

3.4 變頻器到電機(jī)的電纜采用變頻專用電纜選擇電纜時(shí)，應(yīng)考慮諧波引起的以下影響：

3.4.1共模電流對(duì)電機(jī)的危害。

在正常情況下，正弦波電源是平衡對(duì)稱的，中性點(diǎn)電壓為零，采用變頻器由于是把直流電壓轉(zhuǎn)換成三相電壓，雖然輸出電壓基頻分量是對(duì)稱平衡的，但是無(wú)法在僅有兩個(gè)輸出電平的情況下使瞬時(shí)達(dá)到三相輸出電壓之和為零，這就導(dǎo)致中性點(diǎn)電壓不為零，該電壓就是共模電壓的來(lái)源。共模電壓在變頻器和電動(dòng)機(jī)通路之間形成共模電流，共模電流通路包括電動(dòng)機(jī)基座，電纜屏蔽層，接地導(dǎo)體，元件對(duì)地電容等。如果共模電流通路的阻抗比較大，部分共模電流可能通過(guò)電動(dòng)機(jī)軸承，轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械返回變頻器，軸電流會(huì)使先關(guān)部件受損。

3.4.2脈動(dòng)電壓對(duì)絕緣的沖擊。

變頻電源的頻率調(diào)節(jié)范圍較寬，不論頻率高低，具有一個(gè)主頻的波形輪廓，它包含了多個(gè)高次諧波，作為一種行波多次反射，幅值疊加可達(dá)到工作電壓數(shù)倍，電纜越長(zhǎng)，幅值越高，若電纜的絕緣安全系數(shù)不高，將可能被擊穿。

3.4.3高頻電磁波通過(guò)電纜對(duì)外發(fā)射。

隨著變頻器功率的不斷增大，電纜不得不加長(zhǎng)，在工作是高頻電磁波將通過(guò)電纜向外發(fā)射，對(duì)周圍的電子通信設(shè)施產(chǎn)生干擾?！ぷ冾l器專用電纜是專為變頻器設(shè)計(jì)的電纜，變頻器專用電纜的結(jié)構(gòu)包括三根主導(dǎo)線和三根零線，并且主導(dǎo)線和零線均勻?qū)ΨQ布置，在主導(dǎo)線絕緣和零線絕緣外一次設(shè)置內(nèi)繞包層、銅屏蔽、外繞包層和外護(hù)套層，形成3+3形線芯結(jié)構(gòu)。變頻專用電纜能有效的減少共模電流對(duì)電機(jī)的危害，同時(shí)具有較強(qiáng)的耐受電壓沖擊性，抑制高頻電磁波對(duì)外發(fā)射。endprint

3.5電機(jī)采用變頻電機(jī)

由變頻器供電的電機(jī)，由于變頻器輸出側(cè)電壓諧波分量高，電機(jī)要求長(zhǎng)期低速運(yùn)行以及電機(jī)調(diào)速范圍大等特點(diǎn)，要求電機(jī)采用變頻供電專用電機(jī)，電機(jī)的冷卻方式、絕緣介電應(yīng)力，軸電流，接地，噪聲，振動(dòng)等方面均與普通電機(jī)有所不同。

3.6電氣設(shè)備均要求安全可靠基地

接地的目的一是保護(hù)操作人員和設(shè)備的安全既“保護(hù)基地”；二是為了抑制電磁干擾，提供電子測(cè)量中的電位基準(zhǔn)，既“工作地“。保護(hù)接地點(diǎn)與工作接地點(diǎn)要分開(kāi)設(shè)置，以防止安全接地點(diǎn)對(duì)工作接地點(diǎn)的干擾和影響。由于存在大量的諧波，為了減少他對(duì)設(shè)備的的電磁干擾，要求系統(tǒng)中所有電氣設(shè)備要嚴(yán)格采取接地措施，變壓器中性點(diǎn)、變壓器、開(kāi)關(guān)柜、變頻器、電動(dòng)機(jī)外殼、電力電纜接線盒、電纜外皮、電纜保護(hù)鋼管、電纜橋架等均要接至電氣接地網(wǎng)，變頻專用電纜的3根零線及屏蔽層應(yīng)兩端接地，電纜屏蔽接地時(shí)要沿360。搭接接地。

3.7 變頻器問(wèn)、配電間、及電子設(shè)備間鋪設(shè)金屬屏蔽網(wǎng)

變頻器間是最大的電磁干擾源，一方面諧波通過(guò)配電網(wǎng)傳送，另一方面諧波通過(guò)雜散電容、互感等路徑，由電力電纜耦合只控制電纜和通訊電纜使模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)發(fā)生千畸變。變頻器的主要元件IGBT等高頻開(kāi)關(guān)元件在通斷時(shí)，將對(duì)外輻射大量的高頻電磁波。為了最限度的減少變頻器對(duì)其他電子和通迅設(shè)備的干擾，在變頻器間的墻體地面敷設(shè)金屬屏蔽網(wǎng)，來(lái)隔離電磁干擾源的外泄。

3.8 在控制設(shè)備及電纜使用中防止干擾

在采用大量的控制諧波外泄的措施同時(shí)，再控制設(shè)備及測(cè)量二次線方面積極采用防止干擾的措施。由于干擾與距離的平方成反比，控制線纜應(yīng)遠(yuǎn)離變頻設(shè)備，敷設(shè)時(shí)盡量避免平行敷設(shè)、控制電纜、信號(hào)電纜采用屏蔽措施、采用光纜傳輸信號(hào)。

4結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)工廠中大規(guī)模使用變頻器帶來(lái)的諧波及電磁干擾現(xiàn)象和事例分析，認(rèn)為使用變頻器在節(jié)能的同時(shí)不可避免就要產(chǎn)生干擾，但是針對(duì)不同干擾，通過(guò)預(yù)防措施可以減輕或降低其危害。希望在相似的工廠設(shè)計(jì)、實(shí)施中有一定的參考價(jià)值。

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