變頻器諧波污染及治理

1、變頻器諧波污染及治理 殷喬民男，山東省沂南縣供電公司，（山東 沂南 276300）摘要：本文對變頻器的諧波產(chǎn)生機(jī)理、諧波干擾途徑、諧波干擾的危害以及抑制諧波干擾常用的方法進(jìn)行了分析，同時給出了抑制諧波干擾的幾個典型實(shí)例。關(guān)鍵詞：變頻器 諧波危害 治理措施變頻調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要意義，變頻器輸入回路中產(chǎn)生高次諧波電流，對供電系統(tǒng)，負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾；尤其是高精度儀表、微電子控制系統(tǒng)等應(yīng)用中，諧波干擾問題尤為突出。本文從變頻器工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，從隔離、濾波和接三個方面全面闡述了抑制和消除干擾方法，對提高變頻器等工業(yè)設(shè)備運(yùn)行可靠性和安全性提供參考。 一、變頻器諧波產(chǎn)生機(jī)理凡是電源

2、側(cè)有整流回路，都將因其非線性而產(chǎn)生高次諧波。變頻器主電路一般為交直交組成，外部輸入380V/50HZ工頻電源經(jīng)晶閘管三相橋路整流成直流，經(jīng)電容器濾波后逆變?yōu)轭l率可變交流電。整流回路中，輸入電流波形為不規(guī)則矩形波，波形按傅立葉級數(shù)分解為基波和高次諧波，諧波次數(shù)通常為6N1（N為自然常數(shù)）。電源側(cè)電抗充分小、換流重疊可以忽略，那么第K次高次諧波電流有效值為基波電流1/K。二、高次諧波危害諧波問題由來已久，近年來這一問題因兩個因素共同作用變更加嚴(yán)重。這兩個因素是：工業(yè)界為提高生產(chǎn)效率和可靠性而廣泛使用變頻器等電力電子裝置，使與晶閘管相關(guān)設(shè)備使用迅猛增長，并伴諧波源同步增加和放大；電力用戶為改善功率因

3、數(shù)而大量增加使用電容器組，并聯(lián)電容器以諧振方式加重了諧波危害。 非線形負(fù)荷產(chǎn)生諧波電流注入電網(wǎng)，使變壓器低壓側(cè)諧波電壓升高，低壓側(cè)負(fù)荷諧波干擾而影響正常工作，另諧波電壓又供電變壓器傳遞到高壓側(cè)干擾其它用戶。三相回路中，三整數(shù)倍次諧波電流是零序電流，零序電流中性線中是相互疊加。零序諧波電流主由三相四線制非線性設(shè)備產(chǎn)生，使供電系統(tǒng)中中性線電流很大。當(dāng)中性線上有較大諧波電流時，中性導(dǎo)線阻抗諧波下能產(chǎn)生大中性線電壓降，此中性線電壓降以共模干擾形式干擾計算機(jī)和各種微電子系統(tǒng)正常工作，使控制設(shè)備和精密儀器工作不可靠，故障率高。 高次諧波危害具體表現(xiàn)以下幾個方面。變壓器諧波電流和諧波電壓將增加變壓器銅損和鐵

4、損，結(jié)果使變壓器溫度上升，影響絕緣能力，造成容量裕度減小。諧波還能產(chǎn)生共振及噪聲。感應(yīng)電動機(jī)諧波同樣使電動機(jī)銅損和鐵損增加，溫度上升。同時諧波電流會改變電磁轉(zhuǎn)距，產(chǎn)生振動力矩，使電動機(jī)發(fā)生周期性轉(zhuǎn)速變動，影響輸出效率，并發(fā)出噪聲。開關(guān)設(shè)備諧波電流使開關(guān)設(shè)備起動瞬間產(chǎn)生很高電流變化率，使暫態(tài)恢復(fù)峰值電壓增大，破壞絕緣，還會引起開關(guān)跳脫、引起誤動作。保護(hù)電器電流中含有諧波會產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)距，改變電器動作特性，引起誤動作，改變其操作特性，或燒毀線圈。計量儀表計量儀表諧波會造成感應(yīng)盤產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)矩，引起誤差，降低精度，燒毀線圈。電力電子設(shè)備電力電子設(shè)備通?？烤_電源零交叉原理或電壓波形形態(tài)來控制和操作，若電

5、壓有諧波成分時，零交叉移動、波形改變、以致造成許多誤動作。計算機(jī)和一些其它電子設(shè)備，通常要求總諧波電壓畸變率(THD)小于5%，且個別諧波電壓畸變率低于3%，較高畸變量可導(dǎo)致控制設(shè)備誤動作，進(jìn)而造成生產(chǎn)或運(yùn)行中斷，導(dǎo)致較大經(jīng)濟(jì)損失。電力電纜高頻諧波電流會導(dǎo)體中引起集膚效應(yīng)，產(chǎn)生額外溫升增加銅耗。特別是零序3次諧波電流中性線中是相互疊加，使供電系統(tǒng)中中性線電流很大，有中性線上電流還會超過相電流，使中性線發(fā)熱，加速絕緣層老化，引起火災(zāi)。此外當(dāng)中性線上有較大諧波電流時，導(dǎo)線阻抗能產(chǎn)生大中性線電壓降，干擾各種微電子系統(tǒng)正常工作。電力電容器高次諧波頻率增大，電容器對高次諧波阻抗減小，因過電流而導(dǎo)致溫度升

6、高過熱、損壞電容器；電容器與系統(tǒng)中感性負(fù)荷構(gòu)成并聯(lián)或串聯(lián)電路，還有可能發(fā)生諧波共振，放大諧波電流或電壓加重諧波危害。經(jīng)由電容器組電容和電網(wǎng)電感形成并聯(lián)諧振回路，可被放大到10-15倍。 三、變頻器高次諧波污染解決途徑高次諧波主要傳導(dǎo)和感應(yīng)耦合兩種方式對電源及鄰近用電設(shè)備產(chǎn)生諧波污染。傳導(dǎo)是指高次諧波按著各自阻抗分流到電源系統(tǒng)和并聯(lián)負(fù)載，對并聯(lián)電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾；感應(yīng)耦合是指諧波傳導(dǎo)過程中，與此電源線平行敷設(shè)導(dǎo)線又會產(chǎn)生電磁耦合，形成感應(yīng)干擾。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中為消除變頻器高次諧波對電氣設(shè)備干擾，主要從抑制干擾源、切斷干擾對系統(tǒng)耦合通道避免功率補(bǔ)償電容器與系統(tǒng)諧振二個方面解決。解決傳導(dǎo)干擾主電路中把傳

7、導(dǎo)高頻諧波電流濾掉隔離；合理布置干擾源和被干擾線路距離、走向，可避免或減少耦合產(chǎn)生。 四、實(shí)際工程抗干擾措施應(yīng)用 工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)逐步提高，變頻器使用范圍逐步加大，變頻器高次諧波帶來確電磁干擾和污染問題也越來越突出，怎樣處理好變頻器系統(tǒng)諧波干擾和污染問題也越為越突出，怎么樣處理好變頻器系統(tǒng)諧波干擾污染成了變頻器進(jìn)一步推廣應(yīng)用，特別是對諧波污染要求高場所推廣應(yīng)用關(guān)鍵。1、隔離措施隔離技術(shù)是電磁兼容性中重要技術(shù)之一。所謂干擾隔離，是指從電路上把干擾源和易受干擾部分隔離開來，使它們不發(fā)生電聯(lián)系。 （1）、變頻器交流輸入側(cè)安裝交流電抗器，增大整流阻抗使整流重疊角增大，減小高次諧波電流。 （2）、使所有信號

8、線很好絕緣，使其不可能漏電，這樣，防止接觸引入干擾。 （3）、將不同種類信號線隔離鋪設(shè)（不同一電纜槽中，劃用隔板隔開），可信號不同類型將其按抗噪聲干擾能力分成幾等，單獨(dú)走電纜或電纜槽。接地措施接地作用有兩類：一是保護(hù)人和設(shè)備不受損害（保護(hù)接地）；二是抑制干擾（工作接地）。正確接既可以使系統(tǒng)有效抑制外來干擾，又能降低設(shè)備本身對外界干擾。使變頻控制系統(tǒng)以及與之相連儀表均能可靠運(yùn)行并保證測量和控制精度，必須為變頻器設(shè)立可靠工作接地。它分為電源、信號、模擬（AG屏蔽），石化和其他防爆系統(tǒng)中還有本體安全接地。變頻器各種接地沒匯到接匯流排前，彼此之間應(yīng)保證絕緣，避免接地干擾。反諧振措施諧波對連接功率因數(shù)電

9、路中電容器是非常危險。電容器電容與電網(wǎng)電感形成了一個諧振電路，通常這個諧振電路自諧振頻率一般位于250和500Hz之間，即5次和7次諧波范圍內(nèi)。當(dāng)電網(wǎng)中存諧波頻率與自諧振頻率相近時，有可能使諧波電流放大到正常20倍左右。受諧波影響電網(wǎng)不能采用常規(guī)電容器來做無功補(bǔ)償。 當(dāng)系統(tǒng)上存諧波時，使用調(diào)諧濾波電容器組，是功率因數(shù)補(bǔ)償最佳方法之一。 由電容器和電抗器串聯(lián)組成非調(diào)諧濾波電容器組，可以基波頻率段補(bǔ)償無功功率，同時解調(diào)諧振電路自諧振頻率。調(diào)諧濾波電容器組，由數(shù)段電容器及調(diào)諧電抗器組合而成，每段形成串聯(lián)共振回路，使共振頻率低于最低之諧波頻率。對含有5次以上諧波系統(tǒng)，使用帶6%電抗器調(diào)諧式電容器組；對

10、含有3次以上諧波系統(tǒng)，使用帶14%電抗器調(diào)諧式電容器組?；静l率(50Hz)下，調(diào)諧濾波電容器組呈現(xiàn)電容性，以提供無功功率；而諧波頻率下，則呈現(xiàn)電感性，故與網(wǎng)絡(luò)不會形成并聯(lián)共振回路，亦即不會造成諧波放大。，調(diào)諧濾波電容器組，可安全補(bǔ)償無功功率，亦可消除低次諧波電流約30%。濾波技術(shù)濾波器能有效抑制諧波傳導(dǎo)干擾。低壓電網(wǎng)中，當(dāng)諧波電流畸變率THD_I10%，或諧波電壓畸變率THD_V3%時，可考慮安裝諧波濾波器。不同諧波源和電氣設(shè)備，可考慮安裝相應(yīng)濾波設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)中變頻器是以三相六脈動全波整流為主時，公式諧波次數(shù)K=6N1，諧波以5、7次為主，通常采用并聯(lián)式5次和7次單調(diào)諧濾波器。當(dāng)系統(tǒng)中變頻器主要用于三相四線中單相電路時，諧波