變頻器的諧波危害及其治理措施

1、變頻器的諧波危害及其治理措施變頻器 諧波 危害 治理1  引言    在工業(yè)調(diào)速傳動領域中，與傳統(tǒng)的機械調(diào)速相比，使用變頻器調(diào)速有諸多優(yōu)點，故其應用非常廣泛，但由于變頻器逆變電路的開關特性，對其供電電源形成了一個典型的非線性負載，變頻器在現(xiàn)場通常與其它設備同時運行，例如計算機和傳感器，這些設備常常安裝得很近，這樣可能會造成相互影響。因此，以變頻器為代表的電力電子裝置是公用電網(wǎng)中最主要的諧波源之一，其對電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量有著重要的影響。 2  諧波產(chǎn)生的過程    諧波產(chǎn)生的根本原因是由

2、于非線性負載所致。當電流流經(jīng)負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。    變頻器是工業(yè)調(diào)整傳動領域中應用較為廣泛的設備之一。變頻器是把工頻（50hz）變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備。其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。由于變頻器逆變電路的開關特性，對供電電源形成了一個典型的非線性負載。因此以變頻器為代表的電力電子裝置是公用電網(wǎng)中最主要的諧波源之一。    諧波是指對周期性非正弦交流量進行

3、傅里葉級數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，通常也稱為高次諧波，而基波是指其頻率與工頻相同的分量。就電力系統(tǒng)三相交流發(fā)電機發(fā)出的電壓來說，可以認為其波形基本上是正弦量，即電壓波形基本上無直流和諧波分量。但由于電力系統(tǒng)中存在著各種各樣的諧波源（諧波源是指向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設備），特別是變流裝置等設備。其中變頻器的輸入側(cè)產(chǎn)生諧波的機理是：凡是在電源側(cè)有整流回路的都產(chǎn)生因其非線性引起的諧波。而變頻器輸出側(cè)產(chǎn)生諧波的機理是：在逆變電路中，對于電壓型電路來說，輸出電壓是矩形波。對電流型電路來說，輸出電流是矩形波。矩形波中含有較多的諧波，對負載會產(chǎn)生不利影響，因

4、此即使電力系統(tǒng)中電源的電壓是正弦波，也會由于非線性元件的存在使得電網(wǎng)中總有諧波電流或電壓的存在。因此電網(wǎng)諧波的存在主要在于電力系統(tǒng)中存在各種非線性元件。     諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國數(shù)學家傅立葉（m.fourier）分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。 3  諧波危害 

5、;   對于電力系統(tǒng)來說，電力諧波的危害主要表現(xiàn)有以下幾方面：     (1)增加輸、供和用電設備的額外附加損耗，使設備的溫度過熱，降低設備的利用率和經(jīng)濟效益 電力諧波對輸電線路的影響     諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡諧振點附近的諧振區(qū)內(nèi)時，對輸電線路和電力電纜線路會造成絕緣擊穿。 電力諧波對變壓器的影響     諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場強度，諧波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱性負荷的變壓器而言，會大大增加勵

6、磁電流的諧波分量。 電力諧波對電力電容器的影響     含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時，由于電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過負荷甚至爆炸，同時諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波諧振，使故障加劇。     (2)影響繼電保護和自動裝置的工作可靠性     特別對于電磁式繼電器來說，電力諧波常會引起繼電保護及自動裝置誤動或拒動，使其動作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。  

7、60;  (3)對通訊系統(tǒng)工作產(chǎn)生干擾     電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時，會在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在極端的情況下，還會威脅著通信設備和人員的安全。     (4)對用電設備的影響     電力諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，并使機內(nèi)的元件溫度出現(xiàn)過熱，使計算機及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤，嚴重時甚至損害機器。  4  諧波的治理措施 

8、0;  治理諧波問題，抑制輻射干擾和對供電系統(tǒng)的干擾，可采取屏蔽、隔離、接地及濾波以及加裝吸收裝置等技術手段。附圖   1588-p01變頻器進線側(cè)波形對比注：附圖中接近梯形的圖形為變頻器進線電流波形圖，另外的鋸齒狀圖形為頻譜圖。    (1)使用無源濾波器或有源濾波器    使用無源濾波器其主要是改變在特殊頻率下電源的阻抗，適用于穩(wěn)定、不改變的系統(tǒng)。而使用有源濾波器主要是用于補償非線性負載。lc濾波器是傳統(tǒng)的無源諧波抑制裝置，它由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，與諧波源并聯(lián)，除具有濾波作用外，還

9、有無功補償?shù)淖饔谩?#160;   (2)增加變壓器的容量，減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法    由于非線性負載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產(chǎn)生一個畸變電壓降，而合成的畸變電壓波形加到與此同一線路上所接的其它負載，引起諧波電流在其上流過，因此，減少諧波危害的措施也可從加大電纜截面積，減少回路的阻抗方式來實現(xiàn)。目前，國內(nèi)較多采用提高變壓器容量，增大電纜截面積，特別是加大中性線電纜截面，以及選用整定值較大的斷路器、熔斷器等保護元件等辦法，但此種方式不能從根本上消除諧波，反而降低了保護特性與功能，又加大了投資，增加供電系統(tǒng)的隱患。 

10、0;  (3)安裝諧波吸收裝置    2008年我公司聚酯裝置大修期間改造應用的是ep-2500和ep-2000諧波吸收裝置，將其并聯(lián)安裝在變頻器進線側(cè)，這種諧波吸收裝置是一種無源類型的，ep裝置內(nèi)置的多通道頻譜儀并聯(lián)在電路中連續(xù)不斷地監(jiān)測系統(tǒng)中電流或電壓的每一狀態(tài)，當呈現(xiàn)電壓諧波時，低通濾波器就起拉長和吸收的作用。當出現(xiàn)一個瞬時的高壓瞬變或浪涌時，mov（金屬氧化物變阻器）就將它箝位在正弦波形峰值的水平上。這個箝位作用產(chǎn)生的能量是由箝位的電壓和瞬變電壓的峰值的差值、mov(金屬氧化物變阻器)的阻抗以及瞬變的持續(xù)時間來決定的，ep-2500可承受60萬焦

11、耳的能量。ep裝置阻隔并吸收掉電路中的高次諧波，又不干擾其他設備，使設備安全運行，保護了設備，使其壽命延長。當消除諧波后，勢必會減少導體的集膚效應，避免導體的溫度升高，減少了不必要的能耗，從而有效的節(jié)約電能。    2009年3月份聚酯裝置開車后，新改造的ep諧波裝置也隨即投入運行使用，我們采用日本橫河dl750（采樣點500萬個）波形記錄儀對使用效果進行了對比調(diào)查試驗， 現(xiàn)選取1588-p01變頻器的數(shù)據(jù)來看實際的應用效果, 其電機及變頻器參數(shù)為：    電機：1la6 316 4aa60-z，160kw，275a，400v/，14

12、85r/min；    變頻器：6se7032-6eg80-z  180kva。    儀器檢測的波形如下附圖所示:     從附圖可以看到：從安裝前與安裝后的波形圖來看，正弦波上的高次諧波造成的毛刺現(xiàn)象基本消除，ep裝置不僅起到了電壓嵌位作用，并且把難以消除的高次諧波基本吸收掉（消除99%的高次諧波分量）；從安裝前與安裝后的頻譜圖來看，高于50hz的諧波噪聲得到有效的抑制，達到-40db的衰減，250hz650hz的電壓畸變率衰減了60%以上，而1000hz以上的頻譜相當平直，電壓畸變率幾乎為

13、零；從pet變電所變壓器出口端進行測量對比，所得到的波形圖和頻譜圖也有相當改善。 5  經(jīng)濟效益評價    諧波電流在電網(wǎng)中流動會產(chǎn)生有功功率損失，它構(gòu)成了電網(wǎng)線損的一部分，對電網(wǎng)的經(jīng)濟運行很不利。諧波源外送的諧波有功功率是由從電網(wǎng)吸收的基波有功功率的一部分轉(zhuǎn)化而成的，由此減少了電網(wǎng)可用容量，同時諧波功率本身即構(gòu)成了經(jīng)濟損失。    為了計量加裝ep裝置的節(jié)能效果，我們對變頻器的相關參數(shù)進行了跟蹤，目的是測量1588-p01的實際耗電量，所測得的數(shù)據(jù)如表1、2所示：（測量期間工藝生產(chǎn)已穩(wěn)定，電機轉(zhuǎn)速只做微調(diào)，27±2hz附近調(diào)節(jié)）    節(jié)能效果：e=（w1-w2）/w1×100%= 4.6%    上述數(shù)據(jù)采集的是改造項目中一臺典型的變頻器數(shù)據(jù)