礦用變頻器的諧破干擾及防治對策

1、礦用變頻器的諧破干擾及防治對策李桂蘭，王任遠(yuǎn)，沈占彬(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 平頂山 467001 )摘要：礦用變頻器的應(yīng)用日趨普及，并具有很多優(yōu)越性，但對電網(wǎng)的諧波干擾和電磁輻射干擾也越來越受到人們的關(guān)注。文章闡述諧波的概念、產(chǎn)生原因及危害，并對目前解決諧波問題的措施作了較全面的分析，提出了有效的解決方案。在實(shí)際工作中對防治變頻器的干擾有較強(qiáng)的借鑒意義。關(guān)鍵詞：變頻器；諧波；干擾；對策Harmonic Interference of Frequency Transformer in Mine and Corresponding MeasuresLI Gui-lan,WANG Ren-

2、yuan,SHEN Zhan-bin(Pingdingshan Industrial Collage of Technology，Pingdingshan ，henan，467001)Abstract: Frequency transformers are used prevalently in mine. But their harmonic and electromagnetic interferences are equally considered. The article expounds the concept of harmonic frequency, causes as we

3、ll as the effects, after analyzing the measures taken against them, it offers effective methods of resolution which will give useful reference to the practices. Key words: frequency transformer；harmonic frequentcy；interference；measurees0 引言工業(yè)變頻器經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前已處于普及和應(yīng)用階段。在煤礦企業(yè)，近幾年變頻器的應(yīng)用突飛猛進(jìn)，大型的皮帶運(yùn)輸和斜巷絞車的

4、應(yīng)用已很普遍。變頻器的大規(guī)模應(yīng)用，使得電網(wǎng)污染問題日益突顯，尤其在變頻器集中應(yīng)用的場合，如何解決干擾問題幾乎成了自動化系統(tǒng)能否正常工作的決定因素，同時對保證礦井供電和各種保護(hù)的正常運(yùn)行都具有重要的意義。1 變頻器諧波的產(chǎn)生和危害1.1變頻器諧波的產(chǎn)生從結(jié)構(gòu)上來看，變頻器有間接變頻器和直接變頻器之分。間接變頻器將工頻電流通過整流器變成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換成可控頻率的交流。而直接變頻器是將工頻電流直接變換成可控頻率的交流，沒有中間的直流環(huán)節(jié)。目前應(yīng)用較多的是間接變頻器。間接變頻器有三種不同的結(jié)構(gòu)方式：（1）用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調(diào)壓和調(diào)頻分別是在兩個環(huán)節(jié)上進(jìn)行，兩者要在控制電

5、路上協(xié)調(diào)配合；（2）用不控整流器整流斬波器變壓，用逆變器變頻，這種變頻器整流環(huán)節(jié)用斬波器，用脈寬調(diào)壓；（3）用不控整流器整流，用PWM逆變器變頻，這種變頻器只有采用可控關(guān)斷的全控式器件（如IGBT等），輸出波形才會非常逼近正弦波1。無論哪一種變頻器，都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件，不管采用哪種整流方式，變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式都不是連續(xù)的正弦波，而是以脈動的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上，使電壓發(fā)生畸變，經(jīng)傅里葉級數(shù)分析可知，這種非同期正弦波電流是由于頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成。諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性

6、負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，任何重復(fù)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2。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。1.2 諧波的危害變頻器對容量相對較大的電力系統(tǒng)影響不很明顯，而對容量小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視，對公用電網(wǎng)是一種污染。（1）諧波對供電線路產(chǎn)生了附加損耗。當(dāng)大量的三次諧波流過中性線時，會使導(dǎo)線過熱、絕緣老化、壽命縮短以至損壞

7、。（2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。對如發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機(jī)械振動和噪聲；對斷路器，延長故障電流的切除時間。（3）諧波使電網(wǎng)中的電容器產(chǎn)生諧振。諧振將放大諧波電流，導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀。（4）諧波引起公用電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，加重危害，甚至引起嚴(yán)重的責(zé)任事故。（5）諧波將使繼電保護(hù)和自動裝置出現(xiàn)誤動作，并使儀表和電能計量出現(xiàn)較大誤差。2 諧波的防治措施一是裝置諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波；二是對電力系統(tǒng)裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波；三是在電網(wǎng)系統(tǒng)中采用適當(dāng)?shù)拇胧﹣硪种浦C波。具體方法有以下幾種：（1）采用適當(dāng)?shù)碾娍蛊?。變頻器的輸入側(cè)功率因數(shù)取決于

8、裝置內(nèi)部的AC/DC變換電路系統(tǒng)，可利用并聯(lián)功率因數(shù)矯正DC電抗器，電源側(cè)串聯(lián)AC電抗器的方法，使進(jìn)線電流的THDV大約降低30%50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。（2）裝設(shè)有源電力濾波器。當(dāng)前抑制諧波的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器，它串聯(lián)或是并聯(lián)于主電路中，實(shí)時從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波電流3。（3）采用多相脈沖整流。在條件允許或是要求諧波限制在比較小的情況下，可采用多相整流的方法。12相脈沖整流的THDV大約為10%15%，18相的為3%8%，完全滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。其缺點(diǎn)是需要專用變壓器，不利于

9、設(shè)備的改造，成本費(fèi)用較高。（4）使用濾波模塊組件。目前市場上有很多專門用于抗傳導(dǎo)干擾的濾波模塊或組件，這些濾波模塊具有較強(qiáng)的抗干擾能力，同時還具有防用電器本身的干擾傳導(dǎo)給電源。（5）開發(fā)新型的變流器。大容量的變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術(shù)。幾千瓦到幾百千瓦的高功率因數(shù)整流器主要采用PWM逆變器可構(gòu)成四象限交流調(diào)速變頻器，這種變頻器不但輸出電壓、電流為正弦波，而且輸入電流也為正弦波，且功率因數(shù)為1，還可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞，代表了這一技術(shù)的發(fā)展方向。3 削弱變頻器諧波電磁輻射對設(shè)備干擾的方法 上面介紹的方法是減少變頻器工作時對外設(shè)備的影響，但并不是消除了變頻器的對外干擾，如果想進(jìn)一步提

10、高其它設(shè)備對變頻器諧波和電磁輻射的免疫能力，尤其是在變頻器干擾較嚴(yán)重的場合中常用的方法通常有以下幾種。 3.1使用隔離變壓器使用隔離變壓器主要是應(yīng)對來自于電源的傳導(dǎo)干擾。使用具有隔離層的隔離變壓器，可以將絕大部分的傳導(dǎo)干擾阻隔在隔離變壓器之前。同時還可以兼有電源電壓變換的作用。隔離變壓器常用于控制系統(tǒng)中的儀表、PLC，以及其它低壓小功率用電設(shè)備的抗傳導(dǎo)干擾。3.2使用濾波模塊或組件目前市場中有很多專門用于抗傳導(dǎo)干擾的濾波器模塊或組件，這些濾波器具有較強(qiáng)的抗干擾能力，同時還具有防止用電器本身的干擾傳導(dǎo)給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能，對各類用電設(shè)備有很多好處。3.3選用具有開關(guān)電源的儀表等低壓

11、設(shè)備一般開關(guān)電源的抗電源傳導(dǎo)干擾的能力都比較強(qiáng)，因此在選用控制系統(tǒng)的電源設(shè)備，或者選用控制用電器的時候，盡量采用具有開關(guān)電源類型的設(shè)備。 3.4信號線的抗干擾對于信號線上的干擾主要是來自空間的電磁輻射，有常態(tài)干擾和共模干擾兩種。常態(tài)干擾的抑制常態(tài)干擾是指疊加在測量信號線上的干擾信號，這種干擾大多是頻率較高的交變信號，其來源一般是耦合干擾3。抑制常態(tài)干擾的方法有:(1)在輸入回路接RC濾波器或雙T濾波器;(2)盡量采用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，由于這種積分器工作的特點(diǎn)，具有一定的消除高頻干擾的作用;(3)將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號再傳輸?shù)姆绞?，對于常態(tài)的干擾有非常強(qiáng)的抑制作用。 共模干擾的抑制共模干擾

12、是指信號線上共有的干擾信號，一般是由于被測信號的接地端與控制系統(tǒng)的接地端存在一定的電位差所致，這種干擾在兩條信號線上的周期、幅值基本相等，所以采用上面的方法無法消除或抑制。對共模干擾的抑制方法如下:(1)采用雙差分輸入的差動放大器，這種放大器具有很高的共模抑制比。(2)把輸入線絞合，絞合的雙絞線能降低共模干擾，由于改變了導(dǎo)線電磁感應(yīng)的方向，從而使其感應(yīng)互相抵消。(3)采用光電隔離的方法，可以消除共模干擾。(4)使用屏蔽線時，屏蔽層只一端接地。因?yàn)槿魞啥私拥?，由于接地電位差在屏蔽層?nèi)會流過電流而產(chǎn)生干擾，因此只要一端接地即可防止干擾。 應(yīng)注意的事項(xiàng)無論是為了抑制常態(tài)干擾還是抑制共模干擾，還應(yīng)該做

13、到以下幾點(diǎn):(1)輸入線路要盡量短。(2)配線時避免和動力線接近，信號線與動力線分開配線，把信號線放在有屏蔽的金屬管內(nèi)，或者動力線和信號線分開距離要在40cm以上。(3)為了避免信號失真，對于較長距離傳輸?shù)男盘栆⒁庾杩蛊ヅ洹?3.5 增加軟件濾波在使用以單片機(jī)、DSP等為核心的控制系統(tǒng)中，編制軟件的時候，可以適當(dāng)增加對檢測信號和輸出控制部分的軟件濾波，以增強(qiáng)系統(tǒng)自身的抗干擾能力4。 4 結(jié)論綜上所述，可以清楚地了解諧波產(chǎn)生的原因，在具體治理上可采用無源濾波器、有源濾波器，減少回路阻抗，切斷諧波傳輸路徑及開發(fā)使用無諧波污染的綠色變頻器等方法，將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍內(nèi)，達(dá)到科學(xué)用電，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質(zhì)量。參考文