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變頻器諧波危害的分析及解決措施

摘 要 文章從諧波的概念入手,結合變頻器內部結構的相關知識,分析變頻器諧波產生的原因及其危害,在此基礎上提出了抑制諧波的常用方法。

關鍵詞 變頻器 諧波 危害 抑制

1 前言

在工業調速傳動領域中,與傳統的機械調速相比,用變頻器調速有諸多優點,顧其應用非常廣泛,但由于變頻器逆變電路的開關特性,對其供電電源形成了一個典型的非線性負載,變頻器在現場通常與其它設備同時運行,例如計算機和傳感器,這些設備常常安裝得很近,這樣可能會造成相互影響。因此,以變頻器為代表的電力電子裝置是公用電網中最主要的諧波源之一,其對電力系統中電能質量有著重要的影響。

2 變頻器的原理以及諧波的產生

變頻器是工業調速領域中應用較廣泛的設備之一,目前已在企業大量使用。變頻器一般采用是交-直-交結構(如圖1所示),它是把工頻(50Hz)變換成各種頻率的交流電源,以實現電機的變速運行的設備。其中控制電路完成對主電路的控制,變頻調速裝置用于交流異步電動機的調速,調速范圍廣、節能顯著、穩定可靠。

眾所周知,電機的轉速和電源的頻率是線性關系。變頻器就是利用這一原理將50Hz的工頻電通過整流和逆變轉換為頻率可調方向的交流電源。變頻器輸入部分為整流電路,輸出部分為逆變電路,這些都是由非線性原件組成的,在開斷過程中,其輸入端和輸出端都會產生高次諧波。另外變頻器輸入端的諧波還會通過輸入電源線對公用電網產生影響。

從結構上來看,變頻器有交-直-交變頻器和交-交變頻器之分。目前應用較多的還是交-直-交變頻器。變頻器主電路為交-直-交,外部輸入380V/50Hz工頻電源,經三相橋式不可控整流成直流電壓,經濾波電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可調的交流信號。

在電力電子裝置大量應用以后,電力電子裝置成為最主要的諧波源。

變頻器輸入側產生諧波的機理:對于變頻器而言,只要是電源側有整流回路的,都將產生因非線性引起的諧波。以三相橋整流電路為例,交流電網電壓為一正弦波,交流輸入電流波形為方波,對于這個波形,按傅氏級數可分解為基波和各次諧波,通常含有6m±1(m=1,2,…)次諧波,其中高次諧波干擾電網。單個基波與幾個高次諧波組合一起被稱為畸波(見圖2)。

在采樣控制中有一個重要結論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時,其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。此結論是PWM控制的重要理論基礎。把圖三的正弦半波分成N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈寬相等,都等于,但幅值不等,且脈沖頂部不是水平直線,而是曲線,各脈沖的幅值按正弦規律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替,使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合,且使矩形脈沖和相應正弦部分面積(沖量)相等。對于正弦波負半周用同樣辦法也可以得到PWM波形。像這種把正弦波等效的PWM波形也稱為SPWM波形(見圖3)。

變頻器輸出側產生諧波機理: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CPU產生6組脈寬可調的SPWM波控制三相的6組功率元件導通/關斷,從而形成電壓、頻率可調的三相輸出電壓。其輸出電壓和輸出電流是由SPWM波和三角載波的交點產生的,不是標準的正弦波,如電壓型變頻器,其輸出電壓波形為方形波,用傅氏級數分解電壓方波和電流正弦鋸齒波可分析出包含較強的高次諧波成分,高次諧波對設備產生很強的干擾,甚至造成設備不能使用,周圍儀器信號失真。諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時,與所加的電壓不呈線性關系,就形成非正弦電流,從而產生諧波。

3 諧波的危害

一般來講,變頻器對容量相對較大的電力系統影響不很明顯,而對容量小的系統,諧波產生的干擾就不可忽視,諧波電流和諧波電壓的出現,對公用電網是一種污染,它使用電設備所處的環境惡化,給周圍的通信系統和公用電網以外的設備帶來危害。諧波污染對電力系統的危害嚴重性主要表現在:

(1)諧波對供電線路產生了附加諧波損耗。由于集膚效應和鄰近效應,使線路電阻隨頻率增加而提高,造成電能的浪費;由于中性線正常時流過電流很小,故其導線較細,當大量的三次諧波電流流過中性線時,會使導線過熱、絕緣老化、壽命縮短、損壞甚至發生火災。

(2)諧波影響各種電氣設備的正常工作。對發電機的影響除產生附加功率損耗、發熱、機械振動和噪聲和過電壓;對斷路器,當電流波形過零點時,由于諧波的存在可能造成高的di/dt,這將使開斷困難,并且延長故障電流的切除時間。

(3)諧波使電網中的電容器產生諧振。工頻下,系統裝設的各種用途的電容器其電路比系統中的感抗要大得多,不會產生諧振,但諧波頻率時,感抗值成倍增加而容抗值成倍減少,這就有可能出現諧振,諧振將放大諧波電流,導致電容器等設備被燒毀。

(4)諧波引起公用電網局部的并聯諧振和串聯諧振,從而使諧波放大,這就使上述危害大大增加,甚至引起嚴重事故。

(5)諧波將使繼電保護和自動裝置出現誤動作,并使儀表和電能計量出現較大誤差;諧波對其它系統及電力用戶危害也很大:如對附近的通信系統產生干擾,輕者出現噪聲,降低通信質量,重者丟失信息,使通信系統無法正常工作;影響電子設備工作精度,使精密機械加工的產品質量降低;設備壽命縮短,家用電器工況變壞等。

4 諧波的抑制

變頻器給人們帶來極大的方便、高效率和巨大的經濟效益的同時,對電網注入了大量的諧波和無用功,使供電質量不斷惡化。另一方面,隨著以計算機為代表的大量敏感設備的普及應用,人們對公用電網的供電質量要求越來越高,許多國家和地區已經制定了各自的諧波標準,以限制供電系統及用電設備的諧波污染。

抑制諧波的總體思路有三個:其一是裝置諧波補償裝置來補償諧波;其二是對電力系統裝置本身進行改造,使其不產生諧波,且功率因數可控為1;其三是在電網系統中采用適當的措施來抑制諧波。具體方法有以下幾種。

4.1 選用適當的電抗器

(1)輸入電抗器。在電源與變頻器輸入側之間串聯交流電抗器(見圖4),這樣可使整流阻抗增大來有效抑制高次諧波電流,減少電源浪涌對變頻器的沖擊,改善三相電源的不平衡性,提高輸入電源的功率因數(提高到0.75-0.85),這樣進線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。

建議在下列情況下使用輸入交流電抗器:
1)變頻器所用之處的電源容量與變頻器容量之比為10:1以上;
2)同一電源上接有晶閘管設備或帶有開關控制的功率因數補償裝置;
3)三相電源的電壓不平衡度較大(≥3%);
由于交流電抗器體積較大,成本較高,變頻器功率>30kW時才考慮配置交流電抗器。

(2)在直流環節串聯直流電抗器。直流電抗器串聯在直流中間環節母線中(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(提高到0.95)。此電抗器可與交流電抗器同時使用,變頻器功率>30kW時才考慮配置。

(3)輸出電抗器(電機電抗器)。由于電機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,且電纜較粗時,變頻器經逆變輸出后調制方波會在電路上產生一定的過電壓,使電機無法正常工作,可以通過在變頻器和電機間連接輸出電抗器來進行限制(見圖5)。

4.2 選用適當的濾波器

在變頻器輸入、輸出電路中,有許多高頻諧波電流,濾波器用于抑制變頻器產生的電磁干擾噪聲的傳導,也可抑制外界無線電干擾以及瞬時沖擊、浪涌對變頻器的干擾。根據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2種,線路濾波器和輻射濾波器:

(1)線路濾波器串聯在變頻器輸入側,由電感線圈組成,通過增大電路的阻抗減小頻率較高的諧波電流;在需要使用外控端子控制變頻器時,如果控制回路電纜較長,外部環境的干擾有可能從控制回路電纜侵入,造成變頻器誤動作,此時將線路濾波器串聯在控制回路電纜上,可以消除干擾。

(2)輻射濾波器并聯在電源與變頻器輸入側,由高頻電容器組成,可以吸收頻率較高具有輻射能量的諧波成分,用于降低無線電噪聲。線路濾波器和輻射濾波器同時使用效果更好。

輸出濾波器串聯在變頻器輸出側,由電感線圈組成,可以減小輸出電流中的高次諧波成分,抑制變頻器輸出側的浪涌電壓,同時可以減小電動機由高頻諧波電流引起的附加轉矩。注意輸出濾波器到變頻器和電機的接線盡量縮短,濾波器亦應盡量靠近變頻器。輸出濾波器從結構上分LR濾波器單元和LC濾波器單元兩種類型(見圖6)。

除傳統的LR,LC濾波器還在應用以外,當前抑制諧波的重要趨勢是采用有源電力濾波器,它串聯或并聯于主電路中,實時對電流中高次諧波進行檢測,根據檢測結果輸入與高次諧波成分具有相反相位電流,達到實時補償諧波電流目的,從而使電網電流只含基波電流。它與無源濾波器相比,具有高度可控性和快速響應性,且可消除與系統阻抗發生諧振危險,但存在容量大,價格高的特點。

對于工作性質是節能性的(同時有調節作用)大容量的電動機,為了改善電機的運行工況,降低發熱量,應考慮單獨串聯加裝電抗器。

對于工作電流較大(基本運行在額定容量下)的電動機,為了減少電機的發熱量、降低運行電流,使電氣元件的運行可靠度提高(空開、斷路器),應單獨串聯加裝電抗器和濾波器。

對于小容量、多臺安裝的變頻裝置,單獨增加濾波設備顯然投入太大,且現有空間有限,則應考慮在低壓母線上直接安裝有源濾波器。

4.3 采用多相脈沖整流

在條件允許或是要求諧波限制在比較小的情況下,可采用多相整流的方法。12相脈沖整流的畸變大約為10%~15%,18相的為3%~8%,完全滿足國際標準的要求。其缺點是需要專用變壓器,不利于設備的改造,成本費用較高。

4.4 減少或削弱變頻器諧波的方法

(1)當電機電纜長度大于50m或80m(非屏蔽)時,為了防止電機啟動時的瞬時過0電壓,在變頻器與電動機之間安裝交流電抗器;
(2)當設備附近環境有電磁干擾時,加裝抗射頻干擾濾波器;
(3)使用具有隔離的變壓器,可以將電源側絕大部分的傳導干擾隔離在變壓器之前;
(4)合理布線,屏蔽輻射,在電動機與變頻器之間的電纜應穿鋼管敷設或用鎧裝電纜,并和其他弱電信號線分走不同的電纜溝敷設,降低線路干擾,變頻器使用專用接地線;
(5)選用具有開關電源的儀表等低壓電器
(6)在使用單片機、PLC等為核心的控制系統中,在編制軟件的時候適當增加對檢測信號和輸出控制部分的信號濾波,以增加系統自身的抗干擾能力。

5 結束語

變頻調速的應用使交流傳動上了一個新臺階,但變頻器諧波干擾的嚴重性也給設備穩定可靠運行帶來潛在威脅,如何才能最大限度的抑制變頻器諧波產生仍是擺在現今電氣技術工作者面前有待解決的最大課題。文章從諧波的概念入手,分析變頻器諧波產生的原因及其危害,在此基礎上提出了抑制諧波的常用方法,將變頻器產生的諧波控制在最小范圍內,達到科學合理用電,抑制電網污染,提高電源質量。

發布時間:2012-04-12

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