浅谈变频器谐波在实际生产中的影响及控制

王　浩

[摘要]从谐波的概念入手,结合变频器内部结构的相关知识,分析变频器谐波产生的原因及其影响,在此基础上提出控制谐波的常用方法。

[关键词]变频器谐波影响控制

中图分类号:TM4文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0710023-01

一、前言

近年来变频器驱动的电动机系统在工业中得到了广泛应用,其节能效果显著、调节方便、维护简单等受到了许多用户的喜爱,但其干扰问题也已受到了许多技术人员的关注。世界许多国家都对谐波问题发布了限制电网谐波的国家标准。我国国家技术监督局于1993年发布了中华人民共和国国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》,该标准自1994年3月1日起开始实施。

二、变频器的工作原理及其谐波的产生

(一)变频器的工作原理。改变工频电源的频率和电压,从而改变电动机转速。电动机转速的大小和频率是正比关系,和功耗三次方成比例。在不需要电机全速运行的时候实时的降低其转速可以大大节省能耗。

变频器就是利用这一原理将50Hz的工频电通过整流和逆变转换为频率可调方向的交流电源。变频器输入部分为整流电路,输出部分为逆变电路,这些都是由非线性原件组成的,在开断过程中,其输入端和输出端都会产生高次谐波。另外变频器输入端的谐波还会通过输入电源线对公用电网产生影响。

(二)谐波的产生。变频器输入侧产生谐波机理,对于变频器而言,只要是电源侧有整流回路的,都将产生因非线性引起的谐波。变频器输出侧产生谐波机理:在逆变输出回路中,输出电压和输出电流均有谐波。由于变频器是通过CPU产生6组脉宽可调的SPWM波控制三相的6组功率元件导通/关断,从而形成电压、频率可调的三相输出电压。其输出电压和输出电流是由SPWM波和三角载波的交点产生的,不是标准的正弦波,如电压型变频器,其输出电压波形为方形波,用傅氏级数分解电压方波和电流正弦锯齿波可分析出包含较强的高次谐波成分,高次谐波对设备产生很强的干扰,甚至造成设备不能使用,周围仪器信号失真。谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,从而产生谐波。

三、谐波在实际生产中的影响

一般来讲,变频器对容量相对较大的电力系统影响不很明显,而对容量小的系统,谐波产生的干扰就不可忽视,谐波电流和谐波电压的出现,对公用电网是一种污染,它使用电设备所处的环境恶化,给周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。对供电线路产生了附加谐波损耗,造成电能的浪费,使导线过热、绝缘老化、寿命缩短、损坏甚至发生火灾等;谐波影响各种电气设备的正常工作,对发电机的影响产生附加功率损耗、发热、机械振动、噪声和过电压;对断路器,当电流波形过零点时,由于谐波的存在可能造成高的di/dt,这将使开断困难,并且延长故障电流的切除时间;谐波使电网中的电容器产生谐振,谐振将放大谐波电流,导致电容器等设备被烧毁;谐波将使继电保护和自动装置出现误动作,并使仪表和电能计量出现较大误差;谐波对其他系统及电力用户危害也很大:如对附近的通信系统产生干扰,轻者出现噪声,降低通信质量,重者丢失信息,使通信系统无法正常工作;影响电子设备工作精度,使精密机械加工的产品质量降低,设备寿命缩短,家用电器工况变坏等。

四、控制谐波的几种方法

控制谐波的总体思路有三个:其一是装置谐波补偿装置来补偿谐波;其二是对电力系统装置本身进行改造,使其不产生谐波,且功率因数可控为1;其三是在电网系统中采用适当的措施来抑制谐波。具体方法有以下几种:

(一)选用适当的电抗器。1.输入电抗器。在电源与变频器输入侧之间串联交流电抗器,这样可使整流阻抗增大来有效抑制高次谐波电流,减少电源浪涌对变频器的冲击,改善三相电源的不平衡性,提高输入电源的功率因数(提高到0.75-0.85),这样进线电流的波形畸变大约降低30%～50%,是不加电抗器谐波电流的一半左右。2.在直流环节串联直流电抗器。直流电抗器串联在直流中间环节母线中(端子+,-之间)。主要是减小输入电流的高次谐波成分,提高输入电源的功率因数(提高到0.95)。此电抗器可与交流电抗器同时使用,变频器功率>30kW时才考虑配置。3. 输出电抗器(电机电抗器)。由于电机与变频器之间的电缆存在分布电容,尤其是在电缆距离较长,且电缆较粗时,变频器经逆变输出后调制方波会在电路上产生一定的过电压,使电机无法正常工作,可以通过在变频器和电机间连接输出电抗器来进行限制。

(二)选用适当滤波器。在变频器输入、输出电路中,有许多高频谐波电流,滤波器用于控制变频器产生的电磁干扰噪声的传导,也可控制外界无线电干扰以及瞬时冲击、浪涌对变频器的干扰。根据使用位置的不同可以分为输入滤波器和输出滤波器。输入滤波器有线路滤波器和辐射滤波器2种。

除传统的LR,LC滤波器还在应用以外,当前控制谐波的重要趋势是采用有源电力滤波器,它串联或并联于主电路中,实时对电流中高次谐波进行检测,根据检测结果输入与高次谐波成分具有相反相位电流,达到实时补偿谐波电流目的,从而使电网电流只含基波电流。它与无源滤波器相比,具有高度可控性和快速响应性,且可消除与系统阻抗发生谐振危险,但存在容量大,价格高的特点。

对于工作性质是节能性的(同时有调节作用)大容量的电动机,为了改善电机的运行工况,降低发热量,应考虑单独串联加装电抗器。

对于工作电流较大(基本运行在额定容量下)的电动机,为了减少电机的发热量、降低运行电流,使电气元件的运行可靠度提高(空开、断路器),应单独串联加装电抗器和滤波器。

对于类似于工业水泵电机变频器这样的小容量、多台安装的变频装置,单独增加滤波设备显然投入太大,且现有空间有限,则应考虑在低压母线上直接安装有源滤波器。

(三)开发新型的变频器。现在许多厂家提出生产名为“绿色变频器”该变频器品质标准:输出和输入都为正弦波,输入功率因数可控,带任何负载都能使功率因数为1,可获工频上下任意可控的输出频率。变频器内置的交流电抗器能有效控制谐波,同时可以保护整流桥不受电源电压瞬间尖波影响。

目前,我公司投入使用的变频器共26台,其中绝大部分变频器在安装时没有考虑谐波对电网的影响,因而没有附带消谐装置,其普遍现象是电机发热量大、低频运行抖动、噪声等较工频运行的电机大,且变频器运行时容易误动作等,追其根源均是因高次谐波扰动所致。因此在以后的技术改造中,应对以上类似设备所在线路补加电抗器,滤波器等消谐装置,这样才能在节能同时,真正达到设备安全平稳运行,确保装置平稳生产。

五、结论

本文从谐波的概念入手,分析变频器谐波产生的原因及其带来的影响,在此基础上提出了控制谐波的常用方法,相信会取得较好的效果,满足生产要求。