工廠配電系統的變頻器諧波污染及治理

摘 要:隨著工業變頻裝置的應用日益廣泛，工廠配電系統中的諧波污染日趨嚴重。因此，抑制諧波已成為電力電子技術、電器自動化技術及電力系統研究領域的一個重要課題。

關鍵詞:配電系統變頻器諧波污染治理

中圖分類號:TM711文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(c)-0070-01

1 工廠配電系統變頻諧波污染的原因

變頻器諧波是在變頻器的運行過程當中，需要對輸入的電源運用大功率的晶體管或者二級管整流進行逆轉，使輸入的回路當中產生的高次諧波，是電流變大，電壓升高的做法。而變頻諧波對于供電系統、負載及其他鄰近電器設備產生的干擾;變頻器諧波的產生及傳播過程。

變頻器的主電路一般由交流—直流—交流組成。外部輸入的額定電壓是80v頻率是50Hz的工作變頻電源，經過三相電路的不可控制整流成直流電壓信號，經濾波電容進行濾波以及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可變的交流信號。在整個電路的整流回路中，輸入電流的波形為不規則的矩形波形，可按傅里葉技術分解為基波和各次諧波，諧波將會干擾整個供電系統。在逆變輸出的回路中，輸出的電流收PWM(一種模擬控制方式，根據相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現開關穩壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。)載波信號調制的脈沖波形，對于GTR大功率逆變元件，其PWM的載波頻率為2～3kHz;而IGBT大功率逆變元件的PWM最高載頻可達15kHz。同樣，輸出回路電流也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，諧波電流直接干擾負荷;變頻器在工作時時一個諧波源，整個工廠的配電系統都是該諧波源的負荷，諧波將沿著供電線進入各個用電設備，影響真個系統的正常工作。注:國家諧波標準(GB/T14549-93)限值:標準規定電壓奇次諧波畸變率＜4，偶次諧波畸變率＜2;注入電網的諧波電流經換算分別要求:＜38A(3次);＜61A(5次);＜43A(7次)等。

2 諧波引起的問題

2.1 電壓的畸變

諧波在傳輸的過程中，產生的微小能量。會導致電壓周邊磁場的不穩定，導致電壓的電壓產生一些小的變化。使電壓低于或者高于額定的電壓。就會導致電壓的不穩定，是電壓畸形。

2.2 漏電保護器的誤動作

由于諧波有一定的電磁能量，而作為漏電保護器也是有電磁控制的。諧波產生的電磁波會使漏點保護器自動跳閘，導致整個供電系統的癱瘓，嚴重影響工廠的效益。

2.3 諧波對于整個配電網的影響

由于脅逼電流對這個整個電線路產生額外的電能的損失，所產生的熱能及電壓的忽高忽低將導致漏電、短路事故的發生幾率上升;在直流電路的控制系統中，由于波形的不穩定性，使大多數，控電開關系統產生錯誤的動作也就是上面所舉得其中一例，漏電保護器的自動跳閘。由于波形的不穩定在交流的控制系統中，將影響保護裝置的電動特性，在動作值和整合定值間產生誤差;諧波電流將對感應式電能表產生誤差，影響計費的精確度，導致計費不精確。電子表計，其的精度隨不受諧波的影響，但控制系統必須濾波，以防止諧波對電子線路的干擾;而高層次的諧波電流將造成顯示屏高頻掃描的變化，將干擾操作人員正確的控制數據。

3 工廠配電系統中變頻器的處理辦法

3.1 系統設計

工廠在進行配電系統的設置過程中，要把產生諧波的供電線路和對于諧波敏感的供電線路獨立分開設置，或是在其表面裝上絕緣的材料，使得線性負荷和非線性負荷有不同的電路來形成回饋電路，使得非線性負荷產生的畸變電壓不會傳到質線性負荷上，或者增大三相四相線性供電導線的線截面積。

3.2 裝濾波器

對于電動機控制器中電動機所產生的諧波，由于其的波形很分明，可以用濾波器來降低諧波電流。大多數的脈沖控制器所產生的諧波，再經過濾波器的過濾會對高層次的諧波過濾而對于有用的基波影響甚微。

3.3 在變壓器上

在變壓器的表面裝上一個隔離保護膜，或者是在裝設一個旁路的電路以避免進行變壓器維護時長時間地對負荷停止供電的這種情況下，要采用足夠大的通用的四芯反饋線，或者在重要的配電系統中，有時把隔離變壓器就安裝在每一配電盤上，使3及3的倍數次諧波電流與配電系統相隔離。隔離變壓器要適當提高額定值，否則也會產生電壓畸變和過熱。

3.4 裝有源濾波器

由變流器/逆變器產生的邊頻帶和諧波不能很好地用普通的濾波器來徹底的濾除掉，這是因為在邊頻的傳送帶上的傳送頻率是隨傳動裝置的速度而時刻變化的，并且時常都很接近基波頻率導致基波也受到一定的影響。目前有在源頭處理的源濾波器在日益推廣并應用到實際當中，它在工作時主動地注入一小股的電流來精確地補償由負荷產生的諧波電流，這樣就會獲得一個純粹的正弦波。這種濾波設備的工作靠數字信號處理(DSP)技術來控制快速絕緣雙極晶體管(IGBT)。因為設備與供電系統并聯工作的，所以它只控制諧波電流在通過的過程中的過濾作用，而基波的電流并不流過該濾波器。假如所需過濾的諧波比濾波器的容量大的話，它只是能簡單地起限制作用而使波形得到部分的簡單糾正，并不能徹底的清除。

3.5 工廠用電車間

大多數采用電容器直接進行無功功率補償，以降低基波無功電流。然而，諧波濾波器是以并聯方式進入系統的，選配不得當的話則可能會適得其反，系統阻抗與濾波器發生并聯諧振，不僅沒有抑制，反而會對諧波放大，造成更大的危害。建議采取以下措施。采用調諧式濾波器裝置，考慮到在長內線性負荷的分配狀況，線性負荷的功率因數，非線性負荷所產生的各次諧波電流及功率因數，改善日后目標功率因數，配電網絡構成等因素等。

4 結論

變頻裝置的非線性系統在爭先的激勵下必然產生高層次的諧波，高層次的諧波對于工廠的配電系統變頻裝置本身都有一定的影響，在設計和裝置過程中要根據實際情況，采取合理的抑制方法。在裝設系統的過程中，采取實惠又簡便的方法，盡量減少由于高諧波對供電系統的干擾。高次諧波對工廠配電網及變頻裝置本身將產生不良影響，并使通訊、測量、拖動系統等設備的性能劣化。無論何時設計無功功率補償系統，都應避免電容器組與系統產生并聯或串聯諧振。在使用中應選用最新的變頻裝置，安裝各種濾波設備，進行抗干擾設計等是防止諧波。

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