變頻器諧波的危害及抑制方法

[摘要]闡述諧波的定義,變頻器諧波產生的根本原因,諧波對公用電網的危害。對于抑制變頻器諧波問題提出可供參考的解決方法。

[關鍵詞]變頻器 諧波 危害 解決方法

中圖分類號:TM4文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0920041-01

一、前言

隨著電力電子工業的快速發展和節能意識的增強,變頻器裝置憑借其高效、節能和智能化的特點,已成為工業調速傳動領域中重要的基礎設備。然而,由于變頻器的特殊組成結構,將大量的諧波和無功功率注入電網,使電網的電能質量下降。所以了解變頻器產生諧波的原因及其危害,探討綜合治理的方法,抑制諧波污染,提高電網功率因數已成為工業控制領域面臨的一個重大研究課題。

二、諧波及產生

諧波是指對周期性非正弦交流量進行傅里葉級數分解所得到的大于基波頻率整數倍的各次分量,通常也稱為高次諧波。每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以分為偶次與奇次諧波,奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。

諧波產生的原因主要是由于電力系統中存在非性線元件及負載,當電流流經它們時,與所加的電壓不呈線性關系,使電壓、電流波形發生畸變,從而產生諧波。諧波源是指向公用電網注入諧波電流或在公用電網中產生諧波電壓的電氣設備,其中主要的諧波源是各種電力電子裝置,如整流裝置、交流調壓裝置。變頻器內部大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件,使得變頻器從電網中吸取的是由頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成的非同期正弦波電流。

三、諧波的危害

理想的公用電網所提供的電壓應該是單一而固定的頻率以及規定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現,對公用電網是一種污染,對其他控制系統的控制也可以造成嚴重影響和不良后果。由于電力電子裝置的迅速發展使得公用電網的諧波污染日趨嚴重,由諧波引起的各種故障和事故也不斷發生,諧波危害的嚴重性才引起人們高度的關注。諧波對公用電網和其他系統的危害大致有以下幾個方面:1.產生了附加的諧波損耗,降低了電能的生產、傳輸和利用的效率。2.使電氣設備過熱、產生振動和噪聲,并使絕緣老化,使用壽命縮短,甚至發生故障或燒毀。3.引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振,使諧波含量放大,造成電容器等設備燒毀。4.使某些電氣測量儀表受諧波的影響而造成誤差。5.干擾鄰近通信系統、載波遙控設備,降低通信質量,甚至使通信系統無法正常工作。

四、變頻器的諧波治理

變頻器方便、高效使用的同時,給公用電網注入了大量的諧波和無功功率,對用電設備和電網本身都造成很大的危害。世界許多國家發布了限制電網諧波的國家標準。我國由技術監督局于1984年和1993年分別發布了“電力系統諧波管理規定”和國家標準(GB/T14549-93)<<電能質量公用電網諧波>>,用以限制供電系統及用電設備的諧波污染。消除變頻器諧波對電網和電氣設備的干擾,采取的主要措施是:

(一)隔離干擾源,減少諧波侵入

所謂隔離干擾,是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來,使它們不發生電的聯系。常用方法有:1.變頻系統的供電電源與其他設備的供電電源相互獨立,或在變頻器和其他用電設備的輸入側安裝隔離變壓器,切斷諧波電流。 2.電動機和變頻器之間電纜應穿鋼管敷設或用鎧裝電纜,并與其他弱電信號在不同的電纜溝分別敷設,避免輻射干擾。3.變頻控制系統的信號線要很好地絕緣,應采用屏蔽線。4.變頻器應使用可靠地專用工作接地線,它分為電源地、信號地、屏蔽地。5.對于裝設多臺變頻器的場合,可各配專用的變壓器,利用輸入變壓器相位錯開的方法抑制高次諧波。

(二)改造電力電子裝置,減少諧波含量

減少諧波含量主要是從變流裝置本身出發,通過變流裝置的結構設計和增加輔助控制策略來減少或消除諧波,目前采用的技術主要有:1.在變頻器交流輸入側設置交流電抗器,增大整流阻抗使整流重疊角增大,減小高次諧波。2.在整流橋和濾波電容之間串聯直流電抗器進行濾波,提高功率因素。3.應用多重脈沖整流技術,采用移相多重法、順序控制和非對稱控制多重化等方法,達到消除指定諧波和控制基波幅值的目的。4.采用更高頻率的開關元件、變頻器輸出端加裝濾波器,降低PWM控制的輸出波形中所含有的交流諧波成分,用隨機法調節切換頻率和閉環控制控制PWM輸出波形的各個轉換時刻,保證四分之一波形的對稱性。

(三)安裝電力濾波器,提高濾波性能

在低壓電網中,當諧波電流畸變率THD_I>10%,或諧波電壓畸變率THD_V>3%時,電力濾波器能有效地抑制諧波的傳導干擾。

1.無源電力濾波器(PPF)。無源電力濾波器即利用電容和電抗器組成LC調諧電路,在系統中能夠為諧波提供并聯低阻通路,起到濾波作用;同時,利用電容還能補償無功功率,改善電網的功率因數。無源濾波器因其結構簡單、投資少、運行可靠性較高以及運行費用較低,適用于穩定、不改變的系統。但缺點是只能濾除特定次諧波,過載能力小,穩定性較差,體積大,損耗大等。

2.有源諧波調節器(APF)。有源電力濾波器利用脈沖寬度調制(PWM)控制技術對電流頻率和幅值都變化的諧波進行實時跟蹤補償,修正電流波形,提高功率因數,有效地抑諧波制,是目前最有效的一種濾波技術。但是有源電力濾波器有容量大、成本高的缺點,在廣泛使用上受到一定的限制。

3.混合型電力濾波器。為了充分發揮有源電力濾波器補償性能好的優點,克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點,目前,在諧波治理方面,出現了無源濾波器與有源濾波器互補混合使用的方式。它采用開關頻率較低的IGBT構成的逆變器來進行無功補償,由開關頻率高,耐壓較低的MOSFET構成的逆變器進行諧波電流補償,高頻逆變器的輸出側采用變壓器隔離,可消除大部分干擾,使整個系統獲得良好的性能。

五、結束語

在人們節能意識日漸增強的今天,只要清楚地認識變頻器諧波產生的原因與危害,正確掌握抑制諧波的方法,就可以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,嚴格抑制電網污染,提高電源質量。使電力電子技術和變頻調速在工業生產和日常生活中發揮更大的作用。

參考文獻:

[1]王兆安、黃俊,電力電子技術(第4版),北京:機械工業出版社,2000.1.

[2]戴澤云,變頻器諧波的產生與抑制,工控網.

[3]張燕賓等,實用變頻調速技術培訓教程,北京:機械工業出版社,2003.8.

[4]吳忠智、吳加林,變頻器應用手冊,北京:機械工業出版社,2004.6.

作者簡介:

李崇華(1967-),女,漢族,湖南人,副教授,主要研究方向:工業自動控制。