變頻器諧波的危害及防治

1、變頻器諧波的危害及防治無錫金城海潤電氣摘自文章1673-6540-(201211-0054-04 0 引言隨著經(jīng)濟(jì)的飛速增長和工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展,生產(chǎn)工藝的控制要求越來越復(fù)雜化、精細(xì)化,大量非線性用電設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)生活中,例如采用變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng),因其節(jié)能效果顯著、調(diào)節(jié)防爆、維護(hù)簡單而在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。但是由于變頻器逆變電路的開關(guān)特性,對(duì)其供電電源形成了一個(gè)典型的非線性負(fù)載,使得這些設(shè)備的利用在生產(chǎn)生活帶來便利的同時(shí),也產(chǎn)生了大量的諧波,威脅著用電安全,如何對(duì)變頻器諧波進(jìn)行防治也越來越被人們關(guān)注。1概述1.1變頻器的工作原理目前市場上應(yīng)用最普通的交直交型變頻器通常分為四個(gè)

2、部分:整流單元、儲(chǔ)能元件、逆變單元、控制單元。其主要工作原理是首先通過整流單元將工作頻率固定的交流工頻電源轉(zhuǎn)換為直流電源,并且將電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能元件內(nèi),接著再有逆變單元內(nèi)大功率開關(guān)晶體管陣列組成的電子開關(guān),將直流電轉(zhuǎn)化成不同頻率、寬度、幅度的方波,最后再通過控制單元按設(shè)定的程序工作,控制輸出方波的幅度與脈寬,使之疊加為符合控制要求頻率近似正弦波的交流電,來驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī),同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)電流、電壓等方面的電氣保護(hù)。1.2變頻器諧波的產(chǎn)生在電力的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)中都會(huì)產(chǎn)生諧波。特別是變頻器,無論哪一類型的整流方式,都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件,和其電流不隨著電壓同步變化的

3、非線性的電壓電流特性,使得它在運(yùn)行時(shí)從電網(wǎng)中吸取能量的方式均不是連續(xù)的正弦波,而是以脈動(dòng)的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流,這種脈動(dòng)電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動(dòng)電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上,是電壓發(fā)生畸變,產(chǎn)生諧波。研究表明,變頻器在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的諧波,特別是目前最常用的6脈動(dòng)變頻器,其5、7次諧波相當(dāng)明顯,甚至可以達(dá)到基波電流的50%以上,足以對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。1.3變頻器諧波的危害諧波電流和諧波電壓的產(chǎn)生會(huì)使電氣設(shè)備所處的電網(wǎng)環(huán)境惡化,造成嚴(yán)重的危害,主要表現(xiàn)如下:(1增加線路損耗。由于輸電線路阻抗的頻率特性,線路隨著頻率的升高而增加,諧波電流會(huì)使輸電線路的附加損耗增加,造成電能的浪

4、費(fèi)。(2影響各種電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。對(duì)于發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī),諧波會(huì)產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、降低使用壽命、產(chǎn)生異常的機(jī)械振動(dòng)和噪聲;變頻器輕載時(shí)還會(huì)在電機(jī)端產(chǎn)生尖峰電壓,破壞電機(jī)和電機(jī)線纜的絕緣;諧波還會(huì)加速電容器的老化,使電容器的附加損耗增加,從而容易發(fā)生故障和縮短電容器的壽命,甚至在一定條件下還會(huì)發(fā)生諧振,放大諧波電流,影響用電安全。(3影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作的可靠性。諧波對(duì)電力系統(tǒng)中以負(fù)序(基波量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響十分嚴(yán)重,這些按負(fù)序(基波量整定的保護(hù)裝置,一般整定值小、靈敏度高。如果在負(fù)序基礎(chǔ)上再疊加諧波的干擾,則會(huì)引起保護(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng),嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。(4

5、干擾信號(hào)和影響控制精度。變頻器所產(chǎn)生的高頻諧波會(huì)在沿著線纜傳輸?shù)耐瑫r(shí),對(duì)周邊的信號(hào)產(chǎn)生電磁干擾,如傳感器、儀器儀表等,輕者會(huì)造成噪聲,影響信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量,重者會(huì)直接造成信號(hào)丟失或者誤動(dòng)作,帶來極大的生產(chǎn)和人身安全隱患。2 變頻器諧波的防治方案目前變頻器諧波的常用防治方法主要有以下幾種。2.1 區(qū)分和隔離諧波源將變頻系統(tǒng)的供電電源和其他設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立,或者在變頻器和其他設(shè)備的電源處安裝隔離變壓器,從源頭切斷諧波對(duì)供電系統(tǒng)內(nèi)的其他設(shè)備的干擾,這種方法能將諧波污染控制在一定的范圍內(nèi),防治諧波擴(kuò)散的效果明顯,但是也存在一些缺點(diǎn),一是供電系統(tǒng)較復(fù)雜,工程投資較大,而是無法解決自身作為諧波源時(shí)對(duì)下

6、端設(shè)備的諧波干擾問題,一般在醫(yī)療衛(wèi)生、電子儀器制造等對(duì)電網(wǎng)諧波含量控制要求高的行業(yè)應(yīng)用較為廣泛。2.2使用低諧波的綠色變頻器變頻器中應(yīng)用的低諧波技術(shù)科歸納如下:(1逆變單元的并聯(lián)多重化,采用2個(gè)或多個(gè)逆變單元并聯(lián),通過波形疊加抵消諧波分量。(2整流電路的多重化,在PWM變頻器中采用12脈沖、18脈沖或者24脈沖整流,以減少諧波含量。(3逆變單元的串聯(lián)多重化,采用30脈沖的串聯(lián)逆變單元多重化線路,其諧波可減少到很小。(4采用新的變頻調(diào)制方法,如電壓矢量的菱形調(diào)制等。2.3增裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置在技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析可行的條件下,可以在諧波源處裝設(shè)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置:靜止無功補(bǔ)償裝置或更先進(jìn)的靜止同步補(bǔ)償裝置

7、,以獲得補(bǔ)償負(fù)荷快速變動(dòng)的無功需求、改善功率因素、濾除系統(tǒng)諧波、減少向系統(tǒng)注入諧波電流、穩(wěn)定母線電壓、降低三相電壓不平衡等,提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力。2.4加裝濾波器目前工程上普遍采用的諧波防治方式是在變頻的輸入、輸出端串聯(lián)電抗器或者有源、無源濾波器來抑制高次諧波,通過合適的濾波器的選型和安裝位置的選擇,可以有效抑制諧波,將其含量控制在允許范圍內(nèi),具體方法有以下幾種: (1有源濾波器。有源濾波器能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償,目前并聯(lián)有源濾波器主要是治理電流諧波,串聯(lián)有源濾波器主要是治理電壓諧波等引起的問題。其主要優(yōu)點(diǎn)是可以動(dòng)態(tài)濾除各次諧波,對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的諧波能夠完全

8、吸收,諧波治理的效果好,而且不會(huì)產(chǎn)生諧振;但由于其造價(jià)相對(duì)較高,并且受硬件限制,單套容量小,運(yùn)行的可靠性不及無源濾波器,這些缺點(diǎn)都限制了其普及及使用。(2無源濾波器。無源濾波器也稱為LC濾波器,是一種比較傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置,主要由電容器、電抗器和電阻按適當(dāng)?shù)膮?shù)組合而成,與諧波源并聯(lián)運(yùn)行。它除了可以濾除諧波,還可以提高功率因數(shù),具備結(jié)構(gòu)簡單,投資低,可靠性高,運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。相比于有源濾波器而言,由于它的回路形式和元件參數(shù)固定,補(bǔ)償特性不可控,一般只能過濾一種諧波成分,如果要過濾不同的諧波頻率,則要用不同的LC濾波器進(jìn)行組合,增加了設(shè)備投資。同時(shí)隨著時(shí)間的推移,配件老化或電網(wǎng)負(fù)載的變動(dòng),會(huì)使

9、諧振頻率發(fā)生改變,濾波效果下降。所以一般用于諧波次數(shù)已知,電網(wǎng)條件變化不大的場所。（3） 輸入端交流、 直流電抗器。 在變頻器的輸入端串聯(lián)電 抗器，可以降低主電源諧波、浪涌和峰值電流，提高低頻傳 導(dǎo)抗干擾性， 保護(hù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電力電子元件， 提高功率因數(shù)， 防治主電源的電壓尖脈沖引起的跳閘等，同時(shí)可以抑制變頻 器反饋給供電電網(wǎng)的諧波幅值和含量。很多進(jìn)口品牌的變頻 器都采用了內(nèi)置輸入電抗器的做法，來減少變頻器對(duì)電網(wǎng)的 諧波污染，同時(shí)也起到對(duì)接收的電網(wǎng)電能進(jìn)行清潔的作用。 （4） 輸出端正弦波濾波器。 正弦濾波器的作用是將變頻器 輸出的 PWM 波轉(zhuǎn)換為近似正弦波， 在基波頻率為 50HZ 時(shí)， 使

10、用正弦波濾波器后，輸出電壓波形的畸變系數(shù)只有約 5%。 正弦濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和容量大等優(yōu)點(diǎn)，可以 適用于絕大部分的場所。 但是正弦波濾波器會(huì)使濾波電壓產(chǎn)生一個(gè)電壓降，當(dāng)基 波頻率為 50HZ 時(shí)，壓降值約為 10%；同時(shí)由于濾波器在將 PWM 波轉(zhuǎn)換為正弦波的過程中濾除了大量的諧波成分，會(huì) 導(dǎo)致濾波器空載時(shí)變頻器會(huì)占有其額定電流的 5%7%的空 載電流，變頻器的實(shí)際負(fù)載能力將會(huì)低于額定值，存在一定 的降容，在實(shí)際使用過程中，要加以注意。 （5） 輸出端電抗器。 輸出端串聯(lián)輸出電抗器可以用來補(bǔ)償 電機(jī)長線纜運(yùn)行時(shí)的耦合電容的充放電影響，避免變頻器過 流，增大了變頻器到電動(dòng)機(jī)的有效傳輸

11、距離；同時(shí)輸出電抗 器可以有效抑制變頻器的 IGBT 開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的瞬間高電壓， 減少此電壓對(duì)電纜絕緣和電機(jī)的不良影響，延長電機(jī)的使用 壽命，特別是在長電纜和普通電機(jī)用于變頻場所時(shí)。 （6） 輸出端 du/dt 濾波器。目前所有采用最新的 IGBT 逆 變技術(shù)的變頻器，都存在一個(gè)共同的問題，就是不論輸出頻 率的大小，變頻器的輸出都包含電網(wǎng)電壓 1.35 倍的脈沖，而 且電壓上升的時(shí)間非常短，結(jié)合電機(jī)電纜的容性特征，電機(jī) 接線端的沖擊電壓甚至可能翻倍。高頻沖擊電壓有著嚴(yán)重的 危害，一方面高頻電壓在沿電纜傳輸?shù)倪^程中，會(huì)對(duì)周邊的 電氣設(shè)備、儀器儀表產(chǎn)生電磁輻射，干擾其正常運(yùn)行，另一 方面沖擊電壓會(huì)損

12、害電機(jī)的絕緣，縮短電機(jī)的使用壽命。 采用 du/dt 濾波器不僅可以抑制逆變器輸出電壓的尖峰 值和加大電機(jī)絕緣壓力的電壓變化速度，同時(shí)還可以減少容 性漏電流和高頻損耗。但是該濾波器存在線纜長度、通過電 流、能量損耗的最大值，如果超出允許的限值，則不能采用。 在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)電機(jī)的絕緣電壓水平來合理的 選擇 du/dt 濾波器，來避免高頻沖擊電壓的不良影響。 （7） 輸出端 EMC 濾波器。目前市面上正規(guī)廠家生產(chǎn)的絕 大部分變頻器都具備 EMC 檢測認(rèn)證， 不通過 EMC 檢測室無 法銷售和出口的。所以變頻器內(nèi)部一般都內(nèi)置有干擾抑制器 件，使產(chǎn)品自身的 EMC 特性可以滿足國標(biāo)或者國際標(biāo)準(zhǔn)

13、的 要求。但是內(nèi)置有干擾抑制器件的變頻器一般都對(duì)運(yùn)行線纜 的最大長度有著嚴(yán)格的要求，例如 ABB 變頻器產(chǎn)品，樣本 中允許線纜長度一般為 75m（第一環(huán)境下）和 100m（第二 環(huán)境下）施耐德變頻器樣本中允許線纜長度則為 5m 和 25m。 ， 如果運(yùn)行長度超過這個(gè)限值，就應(yīng)該增加外部 EMC 濾波器 來抑制變頻器對(duì)周邊其他設(shè)備的電磁干擾。 在外部電網(wǎng)可能對(duì)變頻器的運(yùn)行產(chǎn)生電磁干擾的場所， 還應(yīng)在變頻器的電源輸入端加裝 EMC 濾波器。 2.5 采用屏蔽電纜 為了減少變頻器運(yùn)行時(shí)對(duì)周邊設(shè)備的干擾，與變頻器連 接或者臨近敷設(shè)的控制電纜，特別是信號(hào)電纜，都要采用屏 蔽措施， 最好選用專用的屏蔽電纜， 然后通過兩端可靠接地， 來防止變頻器運(yùn)行時(shí)的電磁干擾。 同時(shí)，還可以使用變頻器專用屏蔽動(dòng)力電纜來對(duì)這種電 磁干擾進(jìn)行屏蔽，效果良好。但是值得注意的是，由于屏蔽 電纜中的導(dǎo)線在流過高頻電流后，會(huì)在屏蔽層上形成感應(yīng)電 勢，感應(yīng)電勢會(huì)在屏蔽層內(nèi)形成環(huán)形電流，損耗掉一部分能 量。處于系統(tǒng)最大允許損耗的考慮，在不采取其他措施的情 況下，屏蔽電纜的允許長度都會(huì)比非屏蔽電纜短，在工程中 應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況來選擇。 2.6 其他措施 對(duì)變頻器的諧波防治該應(yīng)該注意變頻器安裝時(shí)的隔離、 屏蔽和接地，比如變頻