磁悬浮离心式鼓风机的谐波测试与治理

孟凡菲 芮彬

摘要：简要介绍了磁悬浮离心式鼓风机谐波产生的原因及谐波危害，阐述了无源谐波滤波器及有源谐波滤波器的工作原理，并通过举例说明了增加谐波滤波器治理磁悬浮离心式鼓风机谐波污染的效果。

关键词：磁悬浮离心式鼓风机;谐波;谐波滤波器

1 概述

磁悬浮离心式鼓风机是将磁轴承技术和高速永磁同步电机技术融入传统风机中所形成的一种高效节能环保的新型鼓风机。磁悬浮离心式鼓风机包括高速永磁同步电机、磁轴承、专用高速变频器、磁轴承控制器、叶轮、蜗壳、放空阀及其他辅助器件。其中，专用高速变频器以及磁轴承控制器的执行部件是二极管整流桥、IGBT、MOSFET等半导体非线性器件。这些半导体非线性器件的使用会产生大量高低次谐波，尤其是使用二极管开关器件进行的6脉波整流所造成的谐波对电网造成了严重污染[1]。因为6脉波整流技术成熟，成本低，便于实现，所以大多数变频器采用此种技术。

谐波会产生以下不良影响：（1）导致线路中变压器及电缆过热，加速绝缘老化，寿命缩短;（2）影响电子电气设备正常运行，比如谐波使电子显示器和照明设备出现闪烁，使继电保护装置出现误动作，使测量计量设备产生误差或误读数;（3）可能引起系统谐振，造成三相电流不平衡，导致设备停机或损坏。谐波治理最基本的方法有两个：（1）装设谐波滤波器补偿滤波，这对各种谐波源均适用;（2）对谐波源进行改进，使其不产生谐波，这种方法只适用于谐波源是电力电子换流装置（比如变频器）的场合，这种方法对谐波源改动较大，成本较高[2]。本文从装设谐波滤波器角度，阐述了无源谐波滤波器及有源谐波滤波器的原理，并通过举例说明增加谐波滤波器治理磁悬浮离心式鼓风机谐波污染的效果。

2 磁悬浮离心式鼓风机的谐波测试与治理

本文以150 kW磁悬浮离心式鼓风机为被测对象，分别对其本身及加装的谐波滤波器进行谐波测试，测试仪器为示波器和电能质量分析仪。

2.1    150 kW磁悬浮离心式鼓风机额定工况谐波测试

磁悬浮离心式鼓风机运行工况：电流205 A左右，转速22 000 r/min左右，测试结果如图1、图2所示。

从图1可以看出，该磁悬浮离心式鼓风机的电压总谐波畸变率THDu为3.9%，电流总谐波畸变率THDi为31.3%，谐波分量主要为5次谐波和少量7次、11次谐波。

从图2可以看出，电流波形发生严重畸变。按照国家标准《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549—93）的规定，标称电压为380 V电压的公用电网，THDu不能超过5%[3]，这是对大公用电网而言的。对于有变压器分支的厂区供电，一般要求THDu<3%，THDi<10%，有些场合（变压器分支容量较小场合）甚至要求THDu<2%，THDi<5%。显然，对于有变压器分支的厂区供电而言，该磁悬浮离心式鼓风机的THDu及THDi都超标了。

2.2    无源谐波滤波器及有源谐波滤波器

无源谐波滤波器主要采用电抗器和电容器组成LC回路，串联于系统中。LC回路谐振频率的设定，只能针对于某一次谐波，即针对某一个频率为低阻抗，使得该频率流经为其设定的LC回路，达到滤除某一频率谐波的目的。但是如果LC谐振频率设定不好，会与系统产生谐振，进而放大谐波，造成不良后果。无源谐波滤波器结构简单，成本低，但不能将谐波完全滤除干净。需要注意的是，无源谐波滤波器是串联于系统中的，其功率需与磁悬浮离心式鼓风机的功率相匹配。无源谐波滤波器一般由进线电抗器、滤波电抗器和出线电抗器组成。进线电抗器用以隔离系统中其他谐波源的高次谐波，滤波支路用以分流所配套负载所产生的5次、7次及高次谐波，出线电抗器用以改变负载整流电源的伏安特性。

有源谐波滤波器是一种用于动态滤除谐波、改善电能质量的新型谐波滤波装置，能对各次谐波进行实时滤除和无功补偿。有源谐波滤波器能克服无源滤波器谐波抑制的缺点（无源谐波滤波器只能补偿某次谐波，并且有谐波放大的风险），实现了动态跟踪补偿，可以既滤除谐波又补偿无功。

有源諧波滤波器通过电流传感器，实时采集负载电流，经过电流调理电路送到内部控制芯片进行AD转换，进而计算出负载电流的谐波成分，然后控制芯片输出PWM信号给执行器件IGBT，控制其产生一个与负载谐波大小相等、方向相反的电流注入到电网中补偿谐波电流，实现谐波滤波功能。有源谐波滤波器滤波性能不受系统参数变化的影响，可以滤除各次谐波，在其额定功率范围内，原则上能将谐波全部滤除干净，但是其原理相对复杂，又用到IGBT等电力电子器件，成本较高。因有源谐波滤波器是并联于系统中，所以在选择时其功率无需与磁悬浮离心式鼓风机的功率相匹配，而是与总谐波电流相匹配，这样可以节省有源谐波滤波器的成本。

2.3    加装谐波滤波器进行磁悬浮离心式鼓风机谐波治理测试

本文以加装无源谐波滤波器为例，说明谐波治理效果（有源谐波滤波器的谐波治理效果理论上更好），谐波测试结果如图3、图4所示。

从图3可以看出，加装无源谐波滤波器后，该磁悬浮离心式鼓风机的THDu为1.5%，THDi为3.8%，THDu及THDi都明显下降并符合电网及厂区要求。

从图4可以看出，电流波形接近正弦波。150 kW磁悬浮离心式鼓风机加装无源谐波滤波器前后对比结果如表1所示。

3 结语

磁悬浮离心式鼓风机作为近年来的新型鼓风机，因具有结构简单、高效智能、安装及操作维护简单、噪声低、运行费用低等显著优点，在污水处理、物料输送、烟气脱硫等行业领域得到了广泛应用。但是磁悬浮离心式鼓风机的工作方式所产生的谐波污染是个不可忽视的问题，为了使磁悬浮离心式鼓风机得到更广泛的应用，需对磁悬浮鼓风机的应用现场进行谐波测试，了解其系统谐波总量及各次谐波分量，以便确定谐波滤波器的种类及性能参数，以最小的成本达到较好的谐波治理效果。

[参考文献]

[1] 庞忠浩.大功率变频器谐波抑制技术的研究[D].济南：山东大学，2016.

[2] 朱壁学.变频器产生高次谐波的抑制方法研究[D].广州：华南理工大学，2011.

[3] 电能质量公用电网谐波：GB/T 14549—93[S].

收稿日期：2020-02-05

作者简介：孟凡菲（1985—），女，江苏连云港人，硕士，工程师，从事磁悬浮离心式鼓风机电控系统设计开发工作。