变频器谐波干扰及其防治措施

2016-03-16何春辉

环球市场 2016年32期

关键词：无源电容器变频

何春辉

大连东浩热力有限公司

变频器谐波干扰及其防治措施

何春辉

大连东浩热力有限公司

变频器因其体积小、重量轻、成本低及效率高等优点在各生产领域中倍受青睐，特别是在风机、水泵等传动系统中得到了广泛应用。变频器的应用虽然产生了显著的节能效益，但随之而来的谐波问题不容忽视。谐波电流注入电网，不仅增加输电线的损耗，缩短输电线寿命，而且还会使熔断器在没有超过整定值时就熔断，增加旋转电动机的损耗、增大电动机噪声、产生脉动转矩，造成继电保护、自动装置工作紊乱，由于容抗对谐波的扩大作用，很小的谐波电压就可以引起很大的谐波电流，导致电容器因过流而损坏。谐波危害日趋严重，谐波电流污染已经成为影响供电质量的重要问题。

变频器；谐波；防治措施

1 变频器谐波的产生

变频器主要由整流电路、逆变电路及控制电路组成，其中整流电路和逆变电路由电力电子器件组成。电力电子器件具有非线性特性，当变频器运行时，它要进行快速开关动作，这样就会产生高次谐波。从结构来看，变频器可分为间接变频和直接变频两大类。间接变频将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流。直接变频器则将工频交流变换成可控频率的交流，没有中间的直流环节。它的每相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路，正反两组按一定周期相互切换，在负荷上就获得了交变输出的电压U0，U0的幅值决定于各整流装置的控制角，频率决定于两组整流装置的切换频率。

目前应用较多的还是间接变频器。间接变频有三种不同的结构形式：

1)用可控整流器变压，用逆变器变频，调压和调频分别是在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。2)用不控整流器整流斩波器变压、逆变器变频，这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽调压。3)用不控整流器整流，PWM逆变器同时变频，这种变频器只有采用可控关断的全控式器件(如IGBT等)输出波形非常逼真的正弦波。

无论是何种变频器，都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，不管采用哪种整流方式，变频器从电网中吸取能量的方式均不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，经傅里叶分析可知，这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。

2 谐波的危害

变频器谐波污染的危害主要集中在以下三个方面：①变频器谐波导致电力系统损耗增加。根据集肤效应和临近效应可知，频率越大，线路阻抗越大，由谐波带来的损耗就会增加，由此会引起附加的铜损和线路的额外温升。谐波使得供用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电和用电设备的效率。对于供电线路来讲，发热和温升会导致线路绝缘层的老化，轻则影响线路的供电质量，缩短了电线使用寿命，重则引发火灾、触电等安全事故，该危害是不容忽视的。②高次谐波会严重影响电容器组的正常工作。由电路原理知识可知，频率越大，电容器的阻抗值越大，高次谐波作用下电容器的阻抗值远小于电容器在基波作用下的阻抗值，因此，相对于电压波形畸变来讲，电流波形畸变的程度更加严重；尤其是电网中电感和电容器组成串并联形式，在恰当的谐波频率出会产生串并联谐波共振，此种情况下即使很小的谐波电压也会产生很大的谐波电流，例如对于由电网感性负荷和电容器组构成的并联谐振回路中，谐波电流会被放大大约10～15倍，由此电容器处于严重的过负荷工作状态，长时间处于这一状态时会影响电容器的使用寿命，同时大电流会引起震动和噪声。③谐波会对电气设备造成严重影响。当谐波注入电网时，会导致旋转电机、变压器等电器设备产生噪声、发热严重，降低其工作效率，影响正常工作，缩短使用寿命甚至损坏设备；此外，谐波干扰还会影响计量设备和指示设备的计量指示精度，加大了误差。④变频器还会对电子设备和通信设备产生干扰。具体来讲，变频器会对计算机和自动控制装置造成感应干扰，对无线电通信设备产生辐射干扰，从而影响弱电设备的正常工作，引发误动作。由以上可知，变频器应用于电力系统时，会对电力系统造成严重的谐波干扰问题，要求我们针对此提出科学合理的解决方案。

3 变频器谐波的治理方法

3.1 变频器的隔离、屏蔽、接地

变频器系统的供电电源与其它设备的供电电源相互独立，或在变频器和其它用电设备的输入侧安装隔离变压器。或者将变频器放入铁箱内，铁箱外壳接地。同时变频器输出电源应尽量远离控制电缆敷设(不小于50mm间距)，必须靠近敷设时尽量以正交角度跨越，必须平行敷设时尽量缩短平行段长度(不超过1mm)，输出电缆应穿钢管并将钢管作电气连通并可靠接地。

3.2 加装交流电抗器和直流电抗器

当变频器使用在配电变压器容量大于500kVA，且变压器容量大于变频器容量的10倍以上，则在变频器输入侧加装交流电抗器。而当配电变压器输出电压三相不平衡，且不平衡率大于3%时，变频器输入电流峰值很大，会造成导线过热，则此时需加装交流电抗器。严重时则需加装直流电抗器。

3.3 加装无源滤波器

将无源滤波器安装在变频器的交流侧，无源滤波器由L、C、R元件构成谐波共振回路，当Lc回路的谐波频率和某高次谐波电流频率相同时，即可阻止高次谐波流入电网。无源滤波器特点是：投资少，频率高，结构简单，运行可靠及维护方便。无源滤波器缺点是：滤波易受系统参数的影响，对某些谐波有放大的可能、耗费多、体积大。

3.4 加装有源滤波器

早在20世纪70年代初，日本学者就提出有源滤波器的概念，有源滤波器通过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的电流，达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比具有高度可控性和快速响应性，有一机多能特点。且可消除与系统阻抗发生谐振的危险。也可自动跟踪补偿变化的谐波。但存在容量大，价格高等问题。

3.5 加装无功功率静止型无功补偿装置

对于大型冲击性负荷，可装设无功功率的静止型无功补偿装置，以获得补偿负荷快速变动的无功需求，改善功率因数，滤除系统谐波，减少向系统注入谐波电流，稳定母线电压，降低三相电压不平衡度，提高供电系统承受谐波的能力。而其中以自饱和电抗型(SR型)的效果最好，其电子元件少，可靠性高，反应速度快，维护方便经济，且我国一般变压器厂均能制造。