變頻器諧波分析及解決措施

張艷紅 羅建軍 金 濤 韓 勇

(中國(guó)石油克拉瑪依石化分公司，新疆 克拉瑪依 834003)

變頻器因其體積小、重量輕、成本低及效率高等優(yōu)點(diǎn)在各生產(chǎn)領(lǐng)域中倍受青睞，特別是在風(fēng)機(jī)、水泵等傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。變頻器的應(yīng)用雖然產(chǎn)生了顯著的節(jié)能效益，但隨之而來(lái)的諧波問題不容忽視。諧波電流注入電網(wǎng)，不僅增加輸電線的損耗，縮短輸電線壽命，而且還會(huì)使熔斷器在沒有超過整定值時(shí)就熔斷，增加旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的損耗、增大電動(dòng)機(jī)噪聲、產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩[2]，造成繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置工作紊亂，由于容抗對(duì)諧波的擴(kuò)大作用，很小的諧波電壓就可以引起很大的諧波電流，導(dǎo)致電容器因過流而損壞。諧波危害日趨嚴(yán)重，諧波電流污染已經(jīng)成為影響供電質(zhì)量的重要問題[3]。

1 變頻器輸入側(cè)諧波測(cè)試①

某裝置多臺(tái)電動(dòng)機(jī)均需變頻器控制，且電動(dòng)機(jī)功率均大于100kW，考慮變頻器會(huì)產(chǎn)生諧波，會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生影響，所以對(duì)變頻器產(chǎn)生諧波情況進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試儀器采用Fluke434三相電能質(zhì)量分析儀，測(cè)試對(duì)象為控制160kW電動(dòng)機(jī)的變頻器，此變頻器輸入側(cè)和輸出側(cè)均無(wú)電抗器，測(cè)試位置為變頻器輸入端。

1.1 諧波電流測(cè)試

圖1所示為變頻器輸入端L1相電壓、相電流測(cè)試波形，從圖1中可以看出電流波形在半個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)波峰，電流發(fā)生了嚴(yán)重的畸變。

表1為變頻器輸入端三相電流諧波成分， L1相電流總諧波畸變率已達(dá)到65.3%，5次諧波電流總畸變率為55.3%，7次諧波電流總畸變率為28.5%，主要諧波成分為5次、7次、11次、13次諧波，即6n+1次諧波，完全符合六脈整流器產(chǎn)生諧波成分原理。

圖1 L1相電壓與相電流波形

表1 有變頻器時(shí)輸入端三相電流諧波成分 %

1.2 諧波電壓測(cè)試

圖2所示為變頻器輸入端三相電壓波形，中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中規(guī)定，380V電壓電網(wǎng)總諧波畸變率不高于5%[4]。從圖2中可以看出，單一一臺(tái)變頻器輸入端三相電壓畸變很明顯，電壓諧波畸變率已達(dá)到2.5%。

圖2 變頻器輸入端三相電壓波形

2 諧波分析

變頻器整流模塊原理等同于六脈整流器工作原理，為確定變頻器為主要諧波源，將變頻器拆除，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，對(duì)電動(dòng)機(jī)輸入端三相電流進(jìn)行測(cè)試，表2為電動(dòng)機(jī)輸入端三相電流諧波成分表，從表2中可以看出，電流總諧波畸變率為22.1%，諧波主要成分為3次諧波與5次諧波，L1相3次諧波電流總畸變率為21.0%，5次諧波電流總畸變率為6.5%，仍然很高，主要原因是電網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)被諧波污染。但是，相對(duì)于帶變頻器時(shí)測(cè)試諧波成分，諧波總畸變率明顯小了很多。與表1相比可以看出，變頻器諧波電流問題很嚴(yán)重，但工藝要求此電動(dòng)機(jī)由變頻器控制，所以要采取有效措施來(lái)抑制變頻器諧波。

表2 無(wú)變頻器控制時(shí)輸入端三相電流諧波成分 %

3 諧波抑制措施

治理變頻器諧波電流的設(shè)備主要有3類：輸入電抗器，無(wú)源電力濾波器，有源電力濾波器[5]。

變頻器產(chǎn)生的諧波電流與電網(wǎng)的系統(tǒng)阻抗密切相關(guān)，電網(wǎng)的阻抗越高，則諧波電流越小。在變頻器的電源輸入端串聯(lián)電抗器，等同于增加了電網(wǎng)阻抗，因此會(huì)減小變頻器的諧波電流。安裝輸入電抗器以后，可以使諧波電流畸變率減小，而且電抗器的價(jià)格也很低廉。

無(wú)源電力濾波器本質(zhì)上是頻域處理方法，也就是將非正弦周期電流分解成傅里葉級(jí)數(shù)，對(duì)某些諧波進(jìn)行吸收以達(dá)到治理的目的。無(wú)源電力諧波濾波器的濾波效果好、成本低、技術(shù)成熟、可靠性高，是解決變頻器諧波電流問題的可選設(shè)備。但仍存在很多不足，如：只能對(duì)特定諧波進(jìn)行濾波；濾波參數(shù)會(huì)影響濾波性能；對(duì)于諧波次數(shù)經(jīng)常變化的負(fù)載濾波效果不好；可能與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串聯(lián)諧振；隨著電源側(cè)諧波源的增加，可能會(huì)引起濾波器的過載，電網(wǎng)中的某次諧波電壓可能在LC網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生很大的諧波電流等。

有源電力濾波器是通過檢測(cè)出諧波源發(fā)出的諧波電流成分，向電網(wǎng)注入幅度相同但是相位相反的諧波電流，兩者對(duì)消，達(dá)到消除諧波電流的目的，其諧波畸變率可以小于5%，電流波形接近正弦波，濾波性能不受系統(tǒng)阻抗的影響，不會(huì)與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化不會(huì)影響治理效果。原則上，用一臺(tái)裝置就能完成各次諧波的治理，實(shí)現(xiàn)了諧波的動(dòng)態(tài)治理，能夠迅速響應(yīng)諧波的頻率和大小發(fā)生的變化，具備多種補(bǔ)償功能，可以對(duì)無(wú)功功率和負(fù)序進(jìn)行補(bǔ)償。電網(wǎng)總諧波畸變率很高或諧波成分非常復(fù)雜時(shí)，將其并聯(lián)在電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處，可對(duì)所有注入電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行有效抑制。

綜合多方面因素，考慮到電抗器成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，選用與變頻器匹配的進(jìn)線電抗器來(lái)抑制變頻器諧波。

從表1中可以看出，變頻器產(chǎn)生的諧波成分主要為5次及以上次諧波，且5次諧波含量最高，可配置電抗率為4.5%～7.0%的輸入濾波電抗器。電抗率為6.0%的電抗器，抑制5次諧波效果比較好，但對(duì)3次諧波有明顯的放大作用。電抗率為4.5%的電抗器對(duì)3次諧波輕微放大，且抑制5次諧波效果比較明顯。進(jìn)線電抗器的容量由電抗器每相繞組上的壓降來(lái)決定。一般為電網(wǎng)側(cè)相電壓的2.0%～4.0%，其計(jì)算公式為：

(1)

ΔUL=4%Up=0.04×220V=8.8V

式中IL——電抗器額定電流；

ΔUL——電抗器兩端電壓降。

假如變頻器容量較大，為160kW、10V。在變頻器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行中，變頻器輸入側(cè)電流頻率為50Hz，變頻器輸出側(cè)電流為電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流，頻率小于50Hz，所以變頻器輸入側(cè)電流小于變頻器輸出側(cè)電流，此臺(tái)電動(dòng)機(jī)額定電流為284.2A。這里，取電抗器額定電流為285.0A，代入式(1)可得：L=0.112mH。

對(duì)此變頻器安裝L=0.112mH參數(shù)的電抗器，并對(duì)變頻器輸入端諧波進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表3。與表1中數(shù)據(jù)相比，明顯看出，電流波形畸變率大幅度降低，相電流總諧波畸變率從65.3%降低到30.0%，5次諧波畸變率從55.3%降低到24.2%；與安裝電抗器前比較，電流總諧波畸變率降低了50.0%以上，濾波效果非常顯著，總諧波畸變率接近無(wú)變頻器時(shí)電流總諧波畸變率。

表3 匹配電抗器時(shí)輸入端三相電流諧波成分 %

變頻器輸入端加電抗器可以抑制諧波，保護(hù)變頻器，變頻器輸出端加電抗器可以保護(hù)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)變頻器和電動(dòng)機(jī)距離超過百米時(shí)，要加輸出電抗器。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)某臺(tái)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻器產(chǎn)生諧波的問題進(jìn)行了測(cè)試與分析，通過對(duì)測(cè)試結(jié)果對(duì)比可知，變頻器在節(jié)能及自動(dòng)化控制等方面做出貢獻(xiàn)的同時(shí)，也產(chǎn)生了一些負(fù)面效應(yīng)——諧波問題。通過測(cè)試證明了在變頻器輸入側(cè)安裝與之相匹配電抗器這一簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠的措施，解決諧波問題的效果確實(shí)很顯著，注入電網(wǎng)的諧波電流也得到了很好的抑制；同時(shí)，削弱了諧波電流對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響。但是，全廠在用變頻器共百余臺(tái)，只有部分變頻器輸入側(cè)安裝有電抗器，隨著變頻器的應(yīng)用越來(lái)越多，變頻器產(chǎn)生的諧波問題應(yīng)引起廣泛的關(guān)注。如果要繼續(xù)更好地抑制變頻器諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，最簡(jiǎn)單的方法仍是安裝電抗器，但與此同時(shí)，也會(huì)降低電網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)，增加能耗，所以變頻器諧波的治理問題仍需進(jìn)行深入探討。