變頻器對電網(wǎng)的污染及對策

1、 淺析變頻器對電網(wǎng)的污染及對策 摘要： 在變頻器被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的時候，作為電網(wǎng)的負載，變頻器裝置給電網(wǎng)帶來的污染不可忽視，本文結(jié)合工作實踐，重點對諧波污染的產(chǎn)生及設(shè)備調(diào)試中采用的各種抗污染的方法進行了分析和介紹。關(guān)鍵詞：變頻器 諧波影響 對策1 引言   變頻器作為電力電子技術(shù)的核心器件或設(shè)備，已被廣泛用于空調(diào)、電冰箱、微波爐、洗衣機、電磁爐等時尚家電領(lǐng)域，同時作為交、直流電機傳動控制的新型調(diào)頻調(diào)壓電源被大量用于交直流調(diào)速控制、伺服控制、節(jié)能控制等等不同的領(lǐng)域和場合。這些都是變頻器技術(shù)的發(fā)展帶來巨大成果和效益，對更新傳統(tǒng)產(chǎn)品、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高自

2、動控制水平、方便生產(chǎn)和生活創(chuàng)造巨大的價值，還處于不斷發(fā)展和創(chuàng)新之中，倍受廣泛重視。但是，不能忽視的是在采用變頻器的過程中，作為電網(wǎng)的負載，變頻器給電網(wǎng)帶來的電磁諧波污染的嚴峻性。現(xiàn)在各國對變頻器入網(wǎng)的 “治污”都有明確的要求和標準。 因此變頻器的生產(chǎn)者、使用者應(yīng)該了解變頻器使用給電網(wǎng)帶來的直接影響，給共網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)帶來的直接和間接危害，本文對變頻器對電網(wǎng)的電磁諧波污染及對策進行探討，以期與讀者共同探索克服或降低污染的措施。2 AC-DC-AC變頻器系統(tǒng)的諧波分析2.1 AC-DC-AC變頻器一般分析交流變頻傳動控制是變頻器最具代表性的應(yīng)用。交流電機所需的交流電是通過變頻器，將工頻電網(wǎng)電通過AC

3、-DC-AC或AC-AC的兩種形式變換，再輸出頻率和電壓可以同時或分別控制的、電機要求的交流電源，達到交流電機調(diào)速控制的目的。本文主要討論 AC-DC-AC變頻器，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 AC-DC-AC變頻器主電路圖1中，逆變?nèi)噍敵鯱、V、W可接三相交流負載。 AC-DC-AC變頻器即交-直-交變頻器，其功能是先把工頻三相交流電R、S、T通過三相整流器變成脈動直流，再經(jīng)過電感或電容濾波成所需直流，然后通過逆變環(huán)節(jié)把直流電變換成頻率、電壓均可調(diào)控的三相交流電，向三相交流負載供電。所以AC-DC-AC變頻器主電路包括整流器、直流濾波、逆變器三大部分組成。&#

4、160;  顯然，上述AC-DC-AC主電路結(jié)構(gòu)，其整流和逆變環(huán)節(jié)都具有非線性特性，無論是AC-DC變換，還是DC-AC變換，都會產(chǎn)生高次諧波。高次諧波會通過鏈接的系統(tǒng)竄入交流電網(wǎng)，使電網(wǎng)的電壓波形和電流波形發(fā)生畸變。如果不采取有效措施抑制，這種因高次諧波產(chǎn)生的波形畸變對共網(wǎng)運行的其它各種電氣設(shè)備，如自動化裝置、計算機、計量儀器以及通信系統(tǒng)等均有產(chǎn)生不同程度的影響，甚至使設(shè)備誤動作，導致安全事故。同時高次諧波還會增加供電線路的諧波損耗，惡化電網(wǎng)質(zhì)量指標，降低電網(wǎng)的可靠性，縮短電氣設(shè)備的壽命。 2.2 諧波和無功功率的產(chǎn)生機理（1）輸入側(cè)產(chǎn)生諧波一般變頻器的輸入側(cè)是整流電路，

5、如圖2（B）所示。目前，國內(nèi)AC-DC-AC變頻器常用的整流電路幾乎都采用晶閘管相控整流或二極管整流，其中以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。帶阻感負載的整流電路所產(chǎn)生的諧波污染和功率因數(shù)滯后已為人們所熟悉。當采用電容濾波或電感濾波的二極管整流電路，如工作在電流斷續(xù)狀態(tài)，其輸入電流為非正弦波,如圖2中（A）所示,它含有豐富的高次諧波成分，給電網(wǎng)造成嚴重污染，也使得總的功率因數(shù)降低。 圖2 三相橋式整流回路及輸入側(cè)波形同時也產(chǎn)生大量的諧波，消耗一定的無功功率。 變頻器調(diào)速裝置帶電動機負載，要消耗無功功率。如輸入側(cè)的三相橋式整流電路工作時基波電流滯后于電網(wǎng)電壓，要消耗大量的無功

6、功率。另外，這些裝置也會產(chǎn)生大量的諧波電流，諧波源都是要消耗無功功率。（2）輸出側(cè)產(chǎn)生諧波圖3  逆變回路及輸出側(cè)波形在變頻器的逆變輸出端，輸出電壓和輸出電流均含大量諧波。如圖3中（C）所示，由于變頻器是通過DSP產(chǎn)生6路可調(diào)的PWM波控制三相的6組功率元件導通/關(guān)斷，從而形成電壓、頻率可調(diào)的三相輸出電壓。其輸出電壓和輸出電流是由PWM波和三角載波的交點產(chǎn)生的，不是標準的正弦波，如電壓型變頻器，其輸出電壓波形為方形波，如圖3中（A）所示，用傅氏級數(shù)分解電壓方波和電流正弦鋸齒波可分析出包含較強的高次諧波成分，高次諧波對設(shè)備產(chǎn)生很強的干擾，甚至造成設(shè)備不能使用，周圍儀器信號失真

7、。諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致。輸出電流中也具有頻率很高的高次諧波成分，如圖3中（B）所示。當電流流經(jīng)負載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。其中諧波頻率的高低與變頻器調(diào)制頻率有關(guān)，調(diào)制頻率低（1-2KHz），人耳聽得見高次諧波產(chǎn)生的電磁噪聲（尖叫聲）；若調(diào)制頻率高（如IGBT變頻器可達20KHz），人耳聽不見，但高頻信號客觀存在。從電力方波及電流正波的基波和其他各次諧波，而高次諧波電流對負載直接干擾。另外，高諧波電流還通過電纜向空間輻射，干擾附近電器設(shè)備。3 諧波的危害及對設(shè)備的影響    由于變頻器的廣泛應(yīng)用，因此

8、諧波污染電力系統(tǒng)及周圍設(shè)備的影響就日益嚴重，甚至造成其它電子設(shè)備不能正常工作。其危害歸納起來有以下幾個方面：（1）增加了電網(wǎng)中產(chǎn)生諧振的可能性，從而造成很高的過電流或過電壓而引發(fā)事故的危險性。（2）增加附加損耗，如電流諧波將會使變壓器的銅損增加。電壓諧波將增加鐵損。（3）使電氣設(shè)備（如電動機、電容器、變壓器等）運行不正常，產(chǎn)生發(fā)熱損耗、機械震動、噪音、輸出功率損耗；從而導致電機過熱，加速絕緣老化，從而縮短它們的使用壽命。（4）使測量和計量儀器、儀表、自動裝置、計算機系統(tǒng)，以及許多用電設(shè)備運轉(zhuǎn)不正常，影響設(shè)備測量精度，出現(xiàn)誤動作或誤差，使機械產(chǎn)品加工質(zhì)量降低。（5）干擾通信系統(tǒng)，降低信號的傳輸質(zhì)

9、量，破壞信號的正常傳遞，甚至損壞通信設(shè)備。（6）某些情況下，它不僅產(chǎn)生諧波，而且還引起供電電壓波動和閃變，甚至引起三相電壓不平衡，會危及電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行，并影響電氣設(shè)備的正常使用。4 降低和防止諧波的方法 為了減小高次諧波產(chǎn)生的干擾，應(yīng)該對發(fā)生源（變頻器）進行抑制。為解決變頻器裝置的諧波污染問題，有三條基本思路：（1）裝設(shè)諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的。（2）可對變頻器進行改造（例如結(jié)構(gòu)、工藝、控制等）。（3）在其工作的控制策略上改進，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為“1”。抑制變頻器諧波污染的具體方法如下：4.1 增加電抗器在變頻器系統(tǒng)裝接濾波電抗器是一個基本方

10、法。電抗器分交流電抗器（包括輸入與輸出電抗器）與直流電抗器，如圖4和圖5所示。 圖4  交流電抗器 圖5  直流電抗器(1)選擇合適的電抗器與變頻器配套使用，可以起到較好的效果：交流輸入電抗器的作用 l 減少變頻器對電網(wǎng)的諧波干擾 ；l 改善電網(wǎng)質(zhì)量，提高輸入側(cè)的功率因數(shù),減少無功 ；l 減少電源浪涌對變頻器的沖擊，提高變頻系統(tǒng)可靠性； l 有效消除輸入側(cè)的高次諧波，防止因電壓波形畸變造成其它設(shè)備損壞；l 消除電源相間不平衡引起的輸入電流不平衡。交流輸出電抗器的作用 l 降低電機的噪聲，降低渦流損耗；l 降低輸入高次諧波造成的漏電流 ；l 延長電機到變頻

11、器的安全距離，補償長線分布電容的影響； l 有效抑制dv/dt.減低高頻漏電流，延長電機使用壽命；l 保護變頻器內(nèi)部功率器件。（2）安裝電抗器應(yīng)注意以下幾個問題： 電抗器必須安裝在距離變頻器最近的地方，盡量縮短與變頻器的引線距離; 不能將電源線扭成繩或辮，盡量與控制線分開走線; 為了避免電抗器在使用和運輸過程中震動損壞，請于安裝時將螺絲緊固，以免產(chǎn)生噪音與事故。4.2 加裝EMI濾波器    EMI濾波器如圖6所示。其作用是抑制從導線及金屬管線上傳導無線信號到設(shè)備中去，將來自變頻器的高次諧波分量與電源系統(tǒng)的阻抗分離，或者抑制干擾信號從干擾源設(shè)備通過電源線

12、傳導到外邊去。此處是抑制干擾信號從變頻器通過電源線傳導到電源或電動機去。    加裝EMI濾波器，還可以減少電磁噪聲和損耗。很多人認為EMI電源濾波器的作用是使設(shè)備能夠滿足電磁兼容標準中對傳導發(fā)射和傳導敏感度的要求，但這是不全面的。EMI電源濾波器對抑制設(shè)備產(chǎn)生的較強輻射干擾方面也很重要，合理的解釋是：EMI電源濾波器能防止設(shè)備本身產(chǎn)生的干擾進人電源線，同時防止電源線上的干擾進入設(shè)備。圖6  EMI濾波器4.3  采用更合適的控制策略（1）提高變頻器載波頻率，可以有效抑制低次諧波。PWM輸出的載波頻率對電機的噪聲有很大的影響

13、，對變頻器的干擾也有影響。所以只要載波頻率足夠大，較低次諧波就可以被有效地抑制。（2）在實際應(yīng)用中，采用正弦脈沖寬調(diào)制法（SPWM或雙SPWM）和特定消諧法（SHE）等 控制策略可以來優(yōu)化或改善系統(tǒng),更大限度地減少諧波的產(chǎn)生。 4.4 其它措施與方法（1） 在高頻沖擊負載如電焊機、電鍍電源、電解電源等場合建議用戶增加無功靜補裝置，提高電網(wǎng)功率因數(shù)和質(zhì)量。（2） 在變頻器比較集中的車間，建議采用集中整流，直流共母線供電方式。建議用戶采用脈沖整流模式。優(yōu)點是，諧波小、節(jié)能，特別適用于頻繁起制動、電動運行與發(fā)電運行同時進行的場合。 （3） 變頻器輸入側(cè)加裝有源PFC裝置，效果最好，但成本較高。（4） 改善變頻器結(jié)構(gòu),減少變頻系統(tǒng)注入電網(wǎng)的諧波、無功等污染。5