塔式起重機(jī)變頻器諧波治理

孟慶坤，李加敖，李 茂

（山東中建眾力設(shè)備租賃有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

近年來，隨著塔機(jī)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，變頻調(diào)速在塔機(jī)電控方面得到了廣泛應(yīng)用，一是為了啟動平穩(wěn)，達(dá)到軟啟動的效果，降低大功率電機(jī)啟動瞬間對電網(wǎng)電流的沖擊；二是有利于延長設(shè)備的使用壽命，運(yùn)行時噪音低、性能好，提高了工作效率；三是相對于傳統(tǒng)觸點(diǎn)控制調(diào)速，節(jié)能效果顯著，據(jù)不完全統(tǒng)計，變頻器調(diào)速能夠節(jié)能30%，與國家推行綠色施工相匹配。但同時，變頻器的使用對電能質(zhì)量帶來了很大問題，變頻器是非線性設(shè)備，其主電路一般都采用交—直—交電壓逆變方式，外部輸入的380V50Hz工頻電源，經(jīng)三相橋式大功率二極管不可控整流成直流電壓信號，經(jīng)濾波電容及大功率晶閘管逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流信號，為需要調(diào)速的電動機(jī)提供頻率可變化的電源。

根據(jù)電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式n=60(1-s)(f/p)可知，通過改變輸入頻率，即可實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，在這個過程中，產(chǎn)生了大量的諧波，其中以5、7次諧波為主。諧波電流注入電網(wǎng)的直觀表現(xiàn)為增大電機(jī)噪聲、造成漏電保護(hù)器誤動作跳閘，嚴(yán)重影響塔機(jī)正常施工。為徹底解決該問題，我單位聯(lián)合專業(yè)電器公司對某工地塔機(jī)諧波進(jìn)行測試，并提出了相應(yīng)的解決措施，取得了良好的效果。

1 諧波電流的危害

GB/T 14549《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》5.1規(guī)定了公用電網(wǎng)的諧波電流限值，見表1。

當(dāng)公共連接點(diǎn)處的最小短路容量不同于基準(zhǔn)短路容量時，按照式1修正上表中諧波電流允許值

式中Sk1——公共連接點(diǎn)的最小短路容量,MVA；

Sk2——基準(zhǔn)短路容量，MVA；

Ihp——上表中第h次諧波電流允許值，A。

超出國標(biāo)的諧波電流不僅會污染供電線路、損害用電設(shè)備，而且會引起塔機(jī)漏電保護(hù)器、PLC誤動作，從而引發(fā)安全事故。具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

表1 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值

1）諧波的存在會干擾設(shè)備的正常工作，例如在PLC控制系統(tǒng)中，諧波的存在是非常致命的，諧波信號會干擾PLC的運(yùn)行，導(dǎo)致PLC出現(xiàn)指令錯誤，引起嚴(yán)重后果；在接觸器作為控制中間器件時，諧波電流會引起接觸器線圈非正常的吸合或斷開，諧波含量高的情況下造成接觸器損壞。

2）影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波對電機(jī)的影響除引起附加損耗外，還會產(chǎn)生機(jī)械振動、噪聲和過電壓，使電動機(jī)局部嚴(yán)重過熱，加速電動機(jī)老化；對于開關(guān)元器件來講，諧波會導(dǎo)致斷路器、漏電保護(hù)非正常跳閘，造成突然斷電。當(dāng)塔機(jī)突然斷電后，整機(jī)處于失控狀態(tài)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是常閉制動的突然制動引起塔身產(chǎn)生非常大的扭矩。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是常開的吊臂隨慣性或隨風(fēng)轉(zhuǎn)動。吊鉤無法升降、變幅、制動容易撞倒施工人員和臨建設(shè)施等地方，從而引發(fā)事故。

3）諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，加速對電纜的損耗，大量的諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。

4）諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。

5）諧波會引起公共電網(wǎng)中局部并聯(lián)、串聯(lián)諧振，引發(fā)嚴(yán)重后果。

2 變頻器輸入側(cè)諧波測試

以某QTZ160塔機(jī)為例，其電機(jī)及變頻器配置為：起升機(jī)構(gòu)電機(jī)功率37kW，變頻器型號45LVF；變幅機(jī)構(gòu)電機(jī)功率4kW，變頻器型號4TVF。變頻器輸入輸出側(cè)均無電抗器或濾波裝置。

測試儀器：FLUKE435電能質(zhì)量分析儀、FLUKEflex電流鉗，測試位置為塔機(jī)電源進(jìn)線側(cè)。

測試結(jié)果：基波電流60A，總諧波電流含量75.2%，5次諧波電流39.3A，7次諧波電流15A，需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流50A。

圖1所示為變頻器輸入側(cè)相電流測試波形，圖中所示電流波形在一個周期出現(xiàn)兩個波峰。圖2為變頻器輸入側(cè)諧波柱狀圖，圖中所示主要諧波成分為5次、7次諧波。圖3為諧波總畸變變化圖，圖中所示A相電流總諧波畸變率達(dá)到59.6%，B相電流總諧波畸變率達(dá)到67%，C相電流總諧波畸變率達(dá)到75.2%。

圖1 電流波形圖

圖2 5、7次諧波電流柱狀圖

圖3 諧波總畸變變化圖

根據(jù)表1和公式1，40kW電機(jī)諧波電流允許值為：

5次諧波電流允許值：

7次諧波電流諧波允許值：

本次測試，塔機(jī)在回轉(zhuǎn)、變幅、吊鉤提升中均有諧波產(chǎn)生，塔機(jī)在起升啟動瞬間產(chǎn)生諧波電流最大，實測的5次諧波39.3A，7次諧波15A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國標(biāo)允許值。

3 諧波電流治理措施

根據(jù)諧波電流測試情況，綜合分析市場各種抑制諧波電流裝置優(yōu)劣，決定使用BS有源動力濾波器裝置。BS有源濾波器可以做到動態(tài)濾除諧波、動態(tài)補(bǔ)償無功；能夠?qū)崟r監(jiān)測電網(wǎng)的各種諧波和無功功率，進(jìn)行動態(tài)跟蹤補(bǔ)償，并能夠?qū)Ψ岛皖l率都變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償。BS有源濾波器采用閉環(huán)控制模式、自適應(yīng)控制算法，使其在滿載和輕載下均能達(dá)到很好的濾波性能。

4 治理效果

使用BS有源濾波器后，塔機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，諧波柱狀圖見圖4。

圖4 治理后諧波總畸變、5次、7次電流柱狀圖

治理效果主要表現(xiàn)在以下幾方面。

1）諧波電流得到有效抑制，5次諧波電流為1.6A，7次諧波電流為1.3A，滿足國標(biāo)要求；總畸變?yōu)?.1%，滿足小于5%的國家標(biāo)準(zhǔn)。

2）降低了諧波能耗，節(jié)約電能，提高了工作效率。

3）諧波引起的設(shè)備損壞率大幅下降，延長了設(shè)備使用壽命。

4）避免了電動機(jī)因諧波、浪涌而造成的過熱燒毀、過壓擊穿以及電機(jī)絕緣損壞。

5）能夠保護(hù)設(shè)備內(nèi)的電子集成線路板及芯片不被浪涌沖擊損壞。

6）消除了諧波引起的控制部分誤動作、開關(guān)誤動作出現(xiàn)的突然掉電及突發(fā)情況，保證了生產(chǎn)工作的安全性。

5 結(jié) 語

塔機(jī)變頻器配置有源濾波器，效果顯著，但現(xiàn)在還沒引起廠家重視，使用變頻器的塔機(jī)幾乎都沒有安裝濾波裝置，建議使用變頻器的塔機(jī)在出廠時應(yīng)配備有源濾波器。以前已經(jīng)出廠的塔機(jī)，也有必要安裝濾波裝置，這對于提高塔機(jī)電控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，保證電器系統(tǒng)可靠工作，防止塔機(jī)因諧波電流干擾引發(fā)的安全事故意義重大。