直流调速装置的谐波危害及抑制

李振

杭州安全玻璃有限公司 310000

摘要：介绍了大功率直流调速装置谐波产生的原因及其危害，探讨综合治理抑制谐波污染的方法。

关键词：直流调速装置；谐波；抑制

直流电机是将直流电能转换成机械能的旋转电机。直流电机具有：（1）优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围宽广。（2）过载能力大，能承受频繁的冲击负载。（3）要实现频繁的无级快速起动、制动和反转。（4）能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求等特点。因此直流电机在需要宽广调速的场合和要求有特殊运行性能的自动控制系统中，一直占有突出的地位。随着电力电子技术的快速发展，使直流调速系统更加完善，直流调速装置也越来越多地应用于冶金、化工、煤炭和运输等诸多领域，成为实现生产自动化的重要基础设备。然而，大功率直流调速装置将大量的谐波和无功率注入电网，使电网的电能质量下降，引起“电网污染”问题。因此，认识和分析大功率直流调速装置谐波产生的原因及其危害，探讨综合治理的方法，抑制谐波污染，提高电网功率因数具有重要意义。

一、玻璃钢化设备生产过程简述

普通玻璃的钢化一般分为物理钢化和化学钢化两类。将普通玻璃加热至700℃左右，迅速冷却成型后的玻璃称（物理）钢化玻璃，其表面呈压应力而内部呈张应力，其强度是普通玻璃的4倍，抗冲击性是普通玻璃的3倍，可经受300℃的温差变化而不破裂。钢化玻璃破碎后，变成边部呈钝角的细小颗粒，可减轻对人或物的伤害程度。

我公司F45U钢化炉的玻璃钢化风机由4台300HP直流电机（1#-4#）带动的风机构成，上下两个风道，分别从玻璃的上部和下部两个方向对玻璃进行钢化，每个风道由2台串联风机组成，以提供足够的风量和风压；每个风道的进风口均设有风门挡板；当玻璃钢化时，上下风道的出风口挡板完全打开，而进风口挡风板打开至PLC设定的开度，8S后，上风道进、出风口的挡板均完全关闭，下风道出风口通过出风口挡板切换至另一个出风口把钢化玻璃吹起，通过传送带输送到冷却段。钢化玻璃在冷却段由两台75HP的三相交流异步电动机（5#、6#）带动的风机冷却，直至下一个工作周期。钢化风压和风量通过直流调速装置调节直流电机转速来实现。4台300HP直流电机接于380V低压母线，通过1600KVA配电变与10KV电网相连，该电机采用六脉动三相桥式可控硅整流调速。75HP的三相交流异步电动机与380V低压母线并联运行，配电房主接线如附图1。

附图1 配电房主接线及谐波测点

我公司在起动调试阶段发生了5#风机使用不久烧毁，6#风机空载电流很大（145A）的事故。为查明问题的原因，我公司委托浙江省电力试验研究所对现场低压母线的高次谐波分量进行实测。测量结果显示4台直流电机在1200RPM和风门全开情况下，现场开关柜内二条母线和变电所二段母线上，电压总畸变系数最大为15.83%和6.18%，是《电能质量-公用电网谐波》（GB/T14549-1993）国家规定允许值5%的3.17倍和1.24倍。当4台直流电机停运时，原交流系统的背景谐波总畸变为1.31%，最大奇次1.11%，最大偶次为0.09%，远小于国家规定允许值。由此看出，谐波源来自4台直流调速装置。

二、直流调速装置谐波的产生

我公司4用台直流电机采用速度、电流双闭环调速系统（附图2），该系统有两个反馈回路，构成双闭环。其中一个是由电流调节器ACR和电流检测反馈环节构成的电流环，另一个是由速度调节器ASR和转速检测反馈环节构成的速度环。在电路中，ASR和ACR实行串级连接，即以ASR的输出作为ACR的输入，实现两种作用的配合控制。速度调节器ASR和电流调节器ACR均为比例积分调节器，其输入和输出均设有限幅电路（图中未画出）。ASR的限幅值为Usim，它主要限制最大电流Idm，ACR的输出限幅值为Ukm，它主要限制晶闸管整流装置的最大输出电压Udom。

附图2 转速、电流双闭环直流调速系统原理图

晶闸管整流装置采用六脉动三相桥式可控硅整流（附图3），

附图3 六脉动整流器电路图

对附图3而言，交流电流波形可分解为一系列谐波电流分量：

谐波电流值大约为

其中：In-n次谐波电流幅值；I1-基波电流幅值；N-谐波次数

由上式可见，注入系统的谐波是6N±1次（N为正整数），即5次、7次、11次、13次、…等等，实测结果也是这些特征谐波含量最大，和我公司情况相符。

三、谐波的危害

电网中的谐波污染常常对设备的工作产生严重的影响，其危害一般表现为：

1）谐波电流使输电电缆损耗增大，输电能电降低，绝缘加速老化，泄漏电流增大，严重的甚至引起放电击穿。

2）使电动机损耗增大，发热增加，过载能力、寿命和效率降低，甚至造成设备损坏。

3）容易使电网与用作补偿无功功率的并联电容器发生谐振，造成过电压或过电流，使电容器组绝缘老化甚至烧坏。

4）谐波电流流过变压器绕组，增大附加损耗，使绕组发热，加速绝缘老化，并发出噪声。

5）使大功率电动机的励磁系统受到干擾而影响正常工作。

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