變頻器諧波與電磁干擾控制工程手冊(cè)

序言使用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠節(jié)省電能、靈活地對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，已經(jīng)成為現(xiàn)代化油田生產(chǎn)中不可或缺的設(shè)備。但是，變頻器帶來(lái)種種利益便利的同時(shí)，也帶來(lái)了許多困擾，這些不良影響大致可以分為三類：第一：干擾供電系統(tǒng)油井、站用配電室大量使用變頻器以后，給供電系統(tǒng)帶來(lái)了不良影響，主要故障現(xiàn)象包括：變壓器過(guò)熱，有時(shí)出現(xiàn)噪聲增加的現(xiàn)象繼電保護(hù)器誤動(dòng)作，跳閘電纜過(guò)熱，原來(lái)的配電電纜不能適應(yīng)大量使用變頻器的情況無(wú)功補(bǔ)償電容燒毀或者不能投切第二：損傷所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)電機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)后，頻繁地?fù)p壞，主要故障現(xiàn)象包括：電機(jī)的絕緣擊穿，一般功率越小的電機(jī)這種現(xiàn)象越明顯電機(jī)的軸承損害，仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)軸承的表面出現(xiàn)凹凸不平，一般功率越大的電機(jī)，這種現(xiàn)象越明顯電機(jī)的噪聲增加電機(jī)發(fā)熱第三：對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾變頻器工作后，車間內(nèi)的其他設(shè)備工作異常，典型的現(xiàn)象包括：PLC誤動(dòng)作儀表的讀數(shù)異常共低壓母線的其他數(shù)字控制設(shè)備、計(jì)算機(jī)等工作異常變頻器工作時(shí)，之所以產(chǎn)生上述三種不良影響，是因?yàn)樽冾l器的工作方式導(dǎo)致的。變頻器的工作方式可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)部分：第一：將輸入的正弦波電壓整流為直流電壓，這是上述第一種和第三種故障現(xiàn)象的原因。第二：將直流電壓，變換成PWM電壓，這是上述第二種和第三種故障現(xiàn)象的原因。對(duì)于變頻器帶來(lái)的種種不良影響，大多數(shù)工程人員不知道如何解決，往往盲目地采取一些措施，結(jié)果達(dá)不到改善的目的，有時(shí)甚至帶來(lái)新的問(wèn)題。第一部分概念篇本篇介紹變頻器諧波電流與電磁干擾的基本知識(shí)。1.1變頻器對(duì)電網(wǎng)影響過(guò)去，電動(dòng)機(jī)直接連接到電網(wǎng)上，給電網(wǎng)帶來(lái)的主要問(wèn)題是無(wú)功功率，無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備已經(jīng)成為配電中不可缺少的設(shè)備。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度提高、節(jié)能降耗政策的深入實(shí)施，電動(dòng)機(jī)已經(jīng)很少直接連接到電網(wǎng)上直接使用，通常由變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)稱變頻器。變頻器能夠靈活的控制電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速，滿足功能的要求，并且節(jié)能效果顯著。然而，變頻器給電網(wǎng)帶來(lái)了諧波電流的問(wèn)題，任何供電公司都不允許用戶向電網(wǎng)注入過(guò)大的諧波電流，用戶有責(zé)任消除變頻器產(chǎn)生的諧波電流。隨著變頻器的廣泛使用，諧波治理設(shè)備的重要性將等同于過(guò)去的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。本節(jié)介紹變頻器產(chǎn)生的諧波電流的相關(guān)基本概念。、什么是電力諧波？電力諧波是頻率為50Hz整倍數(shù)的正弦波電壓或電流。發(fā)電廠或者發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓是頻率為50Hz的正弦波波型，稱為基波，50Hz稱為基波頻率。頻率為50Hz整倍數(shù)的正弦波稱為諧波。諧波用基波的倍數(shù)表示，例如頻率為150Hz的正弦波稱為3次諧波，頻率為250Hz的正弦波稱為5次諧波，頻率為350Hz的正弦波稱為7次諧波，以此類推。諧波頻率的正弦波電壓或電流稱為諧波電壓或諧波電流。當(dāng)基波和諧波疊加時(shí)，形成形狀怪異的波形，這稱為波形畸變。例如，圖1-1是基波與5次、7次諧波疊加的結(jié)果，這是工業(yè)場(chǎng)合常見(jiàn)的電流波形。在實(shí)際工程中，大多數(shù)諧波為奇次諧波，也就是3、5、7、11、13 ?圖1-1含有5次和7次諧波的畸變波形總結(jié)：正常的交流電壓或者電流是正弦波，當(dāng)電壓波形或電流波形發(fā)生畸變時(shí)，就說(shuō)明其中包含了諧波成分，畸變的程度越大，包含的諧波成分越多。、諧波電流與諧波電壓是怎樣的關(guān)系？電網(wǎng)上同時(shí)存在著諧波電流和諧波電壓，諧波電流與諧波電壓之間的關(guān)系是很多人感到迷惑的問(wèn)題。首先需要搞清楚諧波電壓與諧波電流的因果關(guān)系。諧波電流是非線性負(fù)載產(chǎn)生的，這些非線性負(fù)載從電源吸取非正弦波的電流，這些非正弦波電流中包含了諧波電流。諧波電流流過(guò)線路阻抗時(shí)，在線路的兩端產(chǎn)生了諧波電壓（歐姆定律），諧波電壓是由諧波電流產(chǎn)生的。打個(gè)比喻，諧波電流是蛋，在一定條件下（線路存在阻抗），孵化出了諧波電壓這個(gè)蛋，如圖2-1所示。如果特定的配電系統(tǒng)對(duì)于N次諧波電流的阻抗為ZN，諧波電流IN在配電系統(tǒng)上產(chǎn)生的諧波電壓VN為：VN=INXZN式中：電網(wǎng)阻抗ZN包括了變壓器的阻抗和配電線的阻抗，如圖2-1所示。線路阻抗造披電流負(fù)載變壓器阻抗線路阻抗造披電流負(fù)載變壓器阻抗；V）諧波電壓圖2-1諧波電壓與諧波電流這里所說(shuō)的阻抗包含了電阻和電抗兩部分，電抗部分包含了電感的感抗，和電容的容抗。按照這個(gè)概念，將圖2-1進(jìn)一步細(xì)化，就得到了圖2-2所示的網(wǎng)絡(luò)，圖中的各元素的含義如下:L1：變壓器繞組電感R1：變壓器繞組電阻L2：配電線路分布電感，大約每米/HzR2：配電線路分布電阻?C1：變壓器繞組電容+補(bǔ)償電容，有系統(tǒng)有補(bǔ)償電容時(shí)，可以忽略繞組的電容?C2：配電線路分布電容：大約每米100pf,當(dāng)系統(tǒng)有補(bǔ)償電容時(shí)，由于其數(shù)值很小，可以忽略圖2-2配電線路的模型如果不考慮系統(tǒng)有補(bǔ)償電容的情況，并且僅考慮諧波電流（頻率較低），則可以忽略C1、C2；這時(shí)系統(tǒng)的阻抗可以簡(jiǎn)化為:Z=R1+R2+j3（L1+L2）式中：3為電流的角頻率，等于2nf，f是電流的頻率。從上式可以看出，配電線路對(duì)于基波和諧波，以及不同次數(shù)的諧波具有不同的阻抗值，諧波的次數(shù)越高，阻抗值越大。電網(wǎng)的阻抗越高，同樣的諧波電流產(chǎn)生的諧波電壓越大。需要特別注意的是，配電線路的感抗是不容忽視的。例一：100米長(zhǎng)的配電線路，電感大約為0.1mH，對(duì)于5次諧波，感抗為：2nx250x10-4=0.157Q，如果5次諧波的電流幅度為200A，5次諧波的電壓幅度達(dá)到約31V，對(duì)于380V系統(tǒng)，這是一個(gè)很大的比例。另外，配電線路的電阻對(duì)于高次諧波也呈現(xiàn)出更大的阻值，這是由于高頻電流的趨膚效應(yīng)導(dǎo)致實(shí)際的導(dǎo)線截面積變小，增加了電阻。因此，在提到諧波電壓時(shí)，要明確以下因素才有意義：?變壓器的容量：這決定了變壓器的阻抗，變壓器的容量越小，電壓畸變率越高；?測(cè)量地點(diǎn)：這決定了線路阻抗，距離變壓器越遠(yuǎn)，電壓畸變率越高；?補(bǔ)償電容的投入狀態(tài)：這決定了整個(gè)系統(tǒng)的阻抗，補(bǔ)償電容會(huì)放大某些諧波電流。例二：圖2-3說(shuō)明較大的諧波電流并不導(dǎo)致較大的諧波電壓。圖2-3（a）中的情況是變壓器容量較小的情況，這時(shí)，雖然電流（上圖）畸變率并不大（所含的諧波電流成分較?。请妷海ㄏ聢D）出現(xiàn)嚴(yán)重的畸變。圖2-3（b）中的情況是變壓器容量較大的情況，這時(shí)，雖然電流（上圖）畸變率很大（所含的諧波電流成分較大），但是電壓（下圖）并未出現(xiàn)嚴(yán)重的畸變。因此，在幾乎所有的電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)諧波電流的限制都不是一個(gè)定值。隨著變壓器的容量變化，變壓器的容量或者冗余量越大（較強(qiáng)的電源），對(duì)諧波電流的限制越松（允許的諧波電流幅度更大）。較弱的電源，例如柴油發(fā)電機(jī)、UPS電源等，由于其內(nèi)阻大，因此諧波電流對(duì)其的影響更大。因此，柴油機(jī)發(fā)電的備用電源、UPS、船上電網(wǎng)等場(chǎng)合，更需要關(guān)注非線性負(fù)載的諧波問(wèn)題。在一些關(guān)鍵點(diǎn)的部位，例如金融機(jī)構(gòu)、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)等，為了保證電子信息系統(tǒng)的高度可靠，必須有應(yīng)急供電系統(tǒng)，這些應(yīng)急供電系統(tǒng)通常由柴油發(fā)電機(jī)、UPS電源等構(gòu)成。這些電源的內(nèi)阻較大，當(dāng)諧波電流流過(guò)他們時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比市電供電時(shí)更大的諧波電壓（現(xiàn)象為電壓發(fā)生平頂畸變），導(dǎo)致系統(tǒng)中的設(shè)備工作異常。（a）小容量變壓器 3大容量變壓器圖2-3電壓畸變率與變壓器容量的關(guān)系總結(jié)：對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的電網(wǎng)（提供純凈50Hz電壓），其上產(chǎn)生的諧波電壓是由非線性負(fù)載發(fā)出的諧波電流產(chǎn)生的，同樣的諧波電流在不同的條件下產(chǎn)生的諧波電壓不同，電源越弱（包括小容量的變壓器、自備發(fā)電機(jī)、UPS電源等），產(chǎn)生的諧波電壓越大；距離電源（變壓器、發(fā)電機(jī)、UPS等）越遠(yuǎn)，諧波電壓越大。有些諧波問(wèn)題僅在使用應(yīng)急電源時(shí)才暴露出來(lái)。3、變頻器是怎樣產(chǎn)生諧波電流的？變頻器工作時(shí)，之所以產(chǎn)生諧波電流，是因?yàn)樽冾l器輸入端的整流電路的阻抗不是一個(gè)定值，其阻抗隨著外加電壓的變化發(fā)生變化，這就導(dǎo)致整流器從電網(wǎng)吸取的電流不是正弦波電流。圖3-1所示為單相整流器的工作原理及電壓、電流的波形。單相整流器由整流橋和平滑電容構(gòu)成。一般情況下，負(fù)載的電流由平滑電容供給，僅當(dāng)正弦波的電壓高于平滑電容的電壓時(shí)，才會(huì)有電流流入電容和負(fù)載中，因此僅在電壓峰值處產(chǎn)生脈沖狀，這種脈沖狀電流中包含了豐富的諧波成分。同樣的道理，3相整流器也會(huì)產(chǎn)生諧波電流，但是這時(shí)對(duì)應(yīng)每個(gè)波峰，不是一個(gè)脈沖電流，而是兩個(gè)脈沖電流，如圖3-2所示。無(wú)論單相整流器還是三相整流器，他們的電流波形都發(fā)生了畸變，不再是正弦波電流，因此包含了諧波成份。產(chǎn)生諧波電流的負(fù)載稱為非線性負(fù)載，與之

對(duì)應(yīng)，不產(chǎn)生諧波電流的負(fù)載稱為線性負(fù)載。線性負(fù)載的阻抗不會(huì)隨著施加在其上面的電壓發(fā)生變化。這時(shí)，流過(guò)負(fù)載的電流I=U/R，這意味著電流I與電壓U是線性關(guān)系，如圖3-3所示，線性負(fù)載由此得名。當(dāng)電壓為正弦波時(shí)，流過(guò)線性負(fù)載的電流依然為正弦波電流，因此不會(huì)產(chǎn)生諧波電流成分。理想的電阻、電感和電容都是線性負(fù)載。但是實(shí)際的電感可能是非線性負(fù)載，例如，帶有鐵芯的電感，其電感量隨著外加電壓而變化（隨之而來(lái)的是阻抗的變化），因此是非線性負(fù)載。變壓器產(chǎn)生諧波電流就是這個(gè)道理。圖3-1單相整流器的電路與電壓、電流波形圖3-2三相整流器的電路與電壓、電流波形1圖3-1單相整流器的電路與電壓、電流波形圖3-2三相整流器的電路與電壓、電流波形1^—一圖3-3線性負(fù)載非線性負(fù)載的阻抗隨著施加在其上的電壓變化，這時(shí)流過(guò)它的電流與施加在它上面的電壓不是線形關(guān)系，故稱其為非線性負(fù)載，如圖3-4所示。對(duì)這樣的負(fù)載施加正弦波電壓時(shí)，流過(guò)負(fù)載的電流值不再是正弦波，其中包含了諧波成分。線性與非線性負(fù)載的組合圖3-4非線性負(fù)載帶平滑電容的整流器是最常見(jiàn)的非線性負(fù)載，它產(chǎn)生的諧波電流與電路結(jié)構(gòu)有關(guān)。整流器從電網(wǎng)吸取脈沖電流，每個(gè)交流電周期整流出的脈沖數(shù)稱為這個(gè)整流器的脈數(shù)。例如，對(duì)于單相整流電路，每個(gè)周期輸出2個(gè)直流脈沖，因此稱為2脈整流器；對(duì)于3相整流電路，每個(gè)周期輸出6個(gè)脈沖，因此稱為6脈整流器。除此以外，還有12脈整流器、18脈整流器等。整流器所產(chǎn)生的諧波的種類與整流器脈數(shù)有關(guān)，具體關(guān)系如下：M=PN±1式中：M=整流器產(chǎn)生的諧波次數(shù)，P=整流器的脈數(shù)，N取自然數(shù)。例如，對(duì)于單相橋式整流電路（2脈整流器），諧波有3次、5次、7次、9次等，對(duì)于3相6脈整流電路，諧波有5次、7次、11次、13次等（波形見(jiàn)圖3-5）。

2脈整諦器的電流頻諳6脈整流器的電沛波形6脈整濟(jì)器的電流頻譜脈整流器的電流頻譜2脈整諦器的電流頻諳6脈整流器的電沛波形6脈整濟(jì)器的電流頻譜脈整流器的電流頻譜圖3-5不同脈數(shù)整流器的諧波電流波形與頻譜總結(jié)：變頻器的諧波電流是由變頻器整流器輸入電路導(dǎo)致的。不同脈數(shù)的整流器產(chǎn)生的諧波成分不同。4、諧波電流會(huì)導(dǎo)致哪些故