变频器谐波的产生及抑制方法

2017-08-23赵思羽中国石油天然气集团公司节能技术监测评价中心

石油石化节能 2017年8期

赵思羽（中国石油天然气集团公司节能技术监测评价中心）

变频器谐波的产生及抑制方法

赵思羽（中国石油天然气集团公司节能技术监测评价中心）

在油气生产过程中，由于产量较低时，设备运行负荷较低，设备能耗较大。为了降低设备能耗，提出变频运行技术，但变频器运行时，对电网产生谐波。变频器产生的谐波对供电电网形成电磁干扰，影响电网的供电质量，可使动力设备发热，减少设备使用寿命；谐波的辐射会产生无线电干扰，影响在线数据的传输。为了解决以上问题，采用了YH-8010有源滤波器。经现场测试验证，其能有效抑制对低压配电网的污染，改善配电网的供电电能质量，进而达到保护设备安全，延长设备寿命和配电网节能降耗的目标。

变频器；谐波；有源滤波

引言

变频器在油田应用十分广泛，其工作原理是把供电电源50 Hz转换成不同频率的交流电源，进而实现接入设备的变速调速运行，控制电路控制其主电路，整流电路将交流电变换成直流电，逆变电路将直流电再逆变成交流电[1]。整个电路运行时，会产生大量不同频率的谐波，其中输入端产生的谐波对供电电网形成电磁干扰，影响电网的供电质量，严重时烧毁变压器，导致整个供电线路停电[2]；变频器输出端产生的谐波可使动力设备发热，增大设备的震动，长期运行会减少设备使用寿命；谐波的辐射会产生无线电干扰，影响在线数据的传输。

为了降低谐波对整个电路电网用电设备的影响，需要在变频器输入、输出端分别配置滤波器、交流电抗器、平波电抗器等抗源设备，过滤掉谐波，进而降低对电网和设备的影响，实现节能降耗。

1 谐波概念

在交流电网中，电源频率为50 Hz，称为工频，而与工频频率不同的成分都可以称之为谐波。

在正弦电路中，除了正弦波之外，还有非正弦波。任何一个周期性的非正弦波，均可以分解为无穷多个频率不同的正弦量的叠加，凡是有周期性非正弦波存在的环境中，均有谐波存在（图1）。

当基波与谐波叠加后，就会改变交流电的频率和振幅，从而改变整个电网的频率和振幅，进而影响用电设备。

1.1 变频器运行时产生谐波干扰

输入侧：变频器整流后，电流脉动性非常大，即产生大量谐波，从而降低电源的供电质量，干扰接入用电设备的工作稳定性。

输出侧：变频器运行时会产生一系列矩形波，这些矩形波主要以高次谐波为主。这些高次谐波会产生电磁辐射干扰无线电设施，降低无线设备侧传输效果；若加到电动机的绕组上，会降低电动机的绝缘性能，使其铜损和铁损增加，局部温度增高；同时，谐波电流会改变电动机电磁转矩，产生振动力矩，使其发生周期性转速变动，从而影响输出频率，并发出噪声震动，减少电动机的使用寿命。

2 谐波危害

变频器产生的高次谐波对油田电网产生的危害日益严重。其中包括：

1）当谐波进入供电电网后，对电网所带的用电设备产生谐波损耗，对发电机会降低其发电效率，增加电网的线路损耗，降低用电设备的运行效率；严重时会引起线路火灾，如中线过热后，线路起火，降低整个供电网络的质量，甚至停电。

2）谐波影响各种电器设备的正常运行，如增加注水泵机组电动机的震动，增加泵房的噪声污染，也能使电动机发热，减少电动机的使用寿命，也不利于现场数据录取人员的身体健康。

图1 谐波合成示意图

3）谐波会在电网中产生并联谐振和串联谐振，从而放大谐波振幅，导致整条供电线路出现问题。油井停抽后，井下压力变化较大，外输泵停运后，会导致储罐液位升高。

4）谐波会产生无线电干扰，对邻近的通信系统产生干扰。例如，注水站、注聚站、中转站等控制系统会受到影响，并使各站所信号采集发生漂移，数据不准确，不能及时反映生产运行情况，人员无法掌握实时数据[3]。

大庆油田公司对大庆油田配电网的467个重点部位的谐波测试表明，变电所主母线和馈出线谐波超标率分别为2.5%、6%，而低压变频器谐波超标75%，是油田电网目前主要的谐波源。电网谐波污染对变频器也会造成自身损害。以第四采油厂为例，目前有站用、库用变频器779台，井用变频器1 502台，总计2 281台。主要由ABB、AB、东芝、西门子、艾默生、INVT等24个厂家提供，具体情况见表1。

表1 采油四厂变频器型号构成情况

2016年上半年共维修井用、站库变频器71台次。同比2015年上半年增长97.2%。其中维修ABB变频器16台、AB变频器5台、风得控变频器26台、INVT变频器4台、汇川变频器10台、星辰变频器8台、施耐德变频器2台。变频器的谐波电流与变频器的厂家有关，主要是因为不同厂家生产的变频器，其所用的滤波电路的不同，变频器内部结构也有所不同，如是否内嵌直流电抗器或交流电抗器、滤波电容的容量大小等。本文主要分析用于现场故障率较高的风得控变频器。

应用谐波检测仪检测风得控变频器产生的谐波见图2。通过现场检测图谱可以看出，风得控变频器产生谐波较为明显，谐波污染较为严重，同时也可以得出谐波因素是导致变频器损坏的重要因素之一。

图2 谐波图谱

3 谐波抑制

目前谐波抑制主要有以下三种方法：安装谐波补偿装置；改造变频器的工作原理，使其无法产生谐波，并使其功率因数为1.0，没有无功功率产生；在电网中安装谐波过滤器，减少谐波流入电网网络，减少其对电网的危害。

3.1 电抗器

变频器运行时，产生的谐波电流中，其中5、7次谐波所占比重较大，对用电设备影响较大，主要造成用电设备发热。对于电网来说，导致电网的无功功率消耗较大，从而使整条线路的功率因数降低，增加电网的运行负荷，降低电网的供电质量。在线路中串联电抗器能有效降低低频次的谐波电流。根据接入点的不同，主要分为以下几种抑制方式。

1）交流电抗器，串联方式依次为电源、交流电抗器、变频器，其主要作用是：提高功率因数，将功率因数提高到0.85以上；减少浪涌对变频器的冲击，减少变频器故障，延长变频器的使用寿命；使电源三相电压相对平衡。

2）直流电抗器，串联方式为整流桥、直流电抗器、滤波电容器，其主要功能是：削弱输入电流中的高次谐波，将功率因数提高到0.95以上，相对交流电抗器更能提高功率因数；其主要优点是结构简单、体积小、易于安装等。

3）输出电抗器，串联方式为变频器、输出电抗器、电动机，其主要作用是：抑制变频器经逆变输出后调制方波在电路上产生的过电压，保证电动机正常工作，延长电动机的使用寿命。

3.2 滤波器

在供电线路中安装滤波器的主要作用是抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源或电动机。当滤波器安装在变频器输出端时，可以减少电磁噪声和损耗；当滤波器安装在变频器输入端时，可以减少其谐波对供电端的影响。滤波器的主要作用是减少频率较高的谐波分量。根据安装位置的不同，可分为输入滤波器和输出滤波器。

1）输入滤波器通常分为两种：线路滤波器，其内部构件主要为电感线圈，它通过增加线路在高频下的阻抗来削弱频率较高的谐波电流；辐射滤波器，其内部构件主要为高频电容器，电容器能够吸收掉频率很高的、具有辐射能量的谐波成分，净化电路谐波。

2）输出滤波器，其内部构件主要为电感线圈。它除了可以削弱输出电流中的高次谐波外，还能削弱电动机中由高次谐波电流引起的附加转矩；但必须注意以下几个方面：变频器输出端不能接入电容器；当输出滤波器由电容性电路构成时，滤波器内接入电容器的一侧，必须与电动机侧相接，其示意图如图3所示。

3.3 制动电阻

1）作用：消耗再生到直流电路中的能量，使电动机获得制动转矩。

2）使用场合：电动机在停止时产生再生电能的条件下。

图3 LC滤波器单元

3）制动电阻的参数选择：包括电阻的阻值和电阻的耗散功率。电阻的阻值决定制动时流过电阻的电流大小，耗散功率决定制动时电阻的容许发热量；由于制动电阻的发热量与通电时间成正比，因此，在频繁起停的场合选择制动电阻时其耗散功率应适当加大。

3.4 接地

变频器的接地既可以降低外界干扰，也能降低对外界的干扰。在现场安装过程中，当电源零线（中线）、地线（保护接地、系统接地）不分别接入，或者控制系统屏蔽地（控制信号屏蔽地和主电路导线屏蔽地）混乱连接时，将会降低整个变频系统的稳定性和可靠性。

对于变频器安装，其中主回路端子PE（E、G）的正确接地是提高变频器抑制噪声能力和减小变频器干扰的重要手段。在变频器中设计安装消谐保护系统（图4）。

图4 变频器消谐装置安装示意图

3.5 谐波现场治理效果

以采油四厂第四油矿2-6注入站为例，该站谐波量较高，对整个站内运行设备产生严重影响，为了减少谐波影响，在站内配电室安装YH-8010有源滤波器。

表2、表3、表4示出四矿2-6注入站在治理前后各项数据的对比。治理后各项指标符合国家及大庆油田企业标准，消除了谐波可能带来的危害，从而可以保证生产的正常、安全进行[4]。

表2 2-6注入站在治理前公共联结点电能质量分析

表3 2-6注入站在治理后公共联结点电能质量分析

使用YH-8010有源滤波器有效抑制了低压配电网的污染，改善配电网的供电电能质量，从而达到保护设备安全，延长设备寿命和配电网节能降耗的目标。

4 治理变频器谐波污染的初步想法

针对采油四厂的变频器谐波问题与现状，提出以下想法：

◇对不同品牌型号的变频器进行仿真及谐波检测，并进行对比分析；

◇使用具有隔离功能的变压器，可以阻挡电源侧绝大部分的传导谐波干扰；

◇合理布置电缆电线，屏蔽谐波辐射；

◇站内控制系统中，用软件程序对采集信号和输出信号进行滤波，降低谐波对整个控制系统的干扰。

5 结论

根据谐波产生原理，分析变频器谐波产生的原因及其危害性，在此基础上提出了抑制谐波的技术措施。主要通过现场应用YH-8010有源滤波器，监测前后谐波量的大小。经测试数据分析，该滤波器能有效抑制电网谐波，缩小变频器的影响范围，将变频器产生的谐波控制在最小范围内，实现科学合理用电，抑制电网污染，提高电源质量，降低谐波对耗电设备的危害。