淺談變頻空調對車輛供電電源的影響及解決方案

徐萬寶

吉林省長春市中車長春軌道客車股份有限公司 吉林長春 130013

隨著軌道交通的快速發展，變頻空調以其啟動電流小、噪音低、能耗少、制冷制熱快等特點，獲得了越來越多地鐵公司的青睞。變頻空調這一非線性負載，在電路中產生的諧波會根據使用環境而影響供電電源的穩定，嚴重的情況下會引起電氣設備損壞。

1 空調的種類和區別

目前軌道車輛的空調基本上分為定頻空調和變頻空調兩類，而變頻空調又有“直流變頻”與“交流變頻”兩大分支。變頻和定頻空調主要的區別就是在壓縮機運行的方式不同。變頻空調的壓縮機通過不停機運轉實時調節地鐵車廂內的溫度，車廂內溫溫度穩定時，空調狀態會轉為低頻的狀態運轉，恒定且智能的調節車廂內的溫度，而定頻空調則需要通過手動控制來空調冷熱的開關和溫度設置來實現節車廂內溫的調節[1]。

2 軌道車輛變頻空調和定頻空調的運行原理

定頻空調壓縮機轉速是固定的，通過手動控制來調節車廂內溫度，溫度控制在設定的范圍內，以額定功率來進行制熱或制冷。當車廂內溫制冷到比空調設定溫度低后，空調停止工作，當車廂內溫比空調設定溫度高時，空調開始制冷工作。通過此工作玄幻，使車廂內溫控制在一個穩定舒適的范圍。

變頻空調是在定頻空調的基礎上選用了變頻專用壓縮機，增加了變頻控制系統。它的基本結構和制冷原理和普通空調完全相同。變頻空調的主機是自動進行無級變速的，它可以根據車廂內溫度對的情況自動提供所需的冷（熱）量；當車廂內溫度達到設置值后，空調主機則以能夠準確保持這一溫度的恒定速度運轉，實現“不停機運轉”，從而保證環境溫度的穩定。目前變頻空調主要工作原理是輸入端對三相電源進行整流，然后進行逆變，通過變換逆變輸出的電壓值及頻率從而實現空調機組的變頻，在此工作原理工作下的變頻空調為非線性負載[2]。

3 非線性負載

非線性負載是指內含整流設備，或具有非線性阻抗特征的用電設備從電力系統汲取功率的負載。在電路中，電流與電壓不成線性關系，在負載的投入、運行過程中，電壓和電流的關系是經常變化的。所謂非線性，就是自變量和變量之間不成線性關系，成曲線或者其他關系。或者說其阻抗隨外施加的電壓或電流的變化而變化，也就是說其阻抗是電壓或電流的函數。用函數解釋則為：y=f（x），當為一次函數時，y與x是線性關系，為其他條件在為非線性關系。因此，非線性負載的特征是會引起供電系統電壓或電流波形的突變。

4 非線性負載對供電電源的影響及其特征

非線性負載作為諧波源，會向供電系統輸入數量巨大的高次諧波，這些高次諧波直接導致供電系統的安全運行和電氣設備的不正常工作，對供電系統和電氣設備帶來嚴重的危害。例如：增大銅、鐵的損耗，產生噪聲，設備過。同時還可能讓旋轉設備發生反方向轉矩的情況，造成機械熱耗和損傷。當高次諧波夾雜在供電電路里時，會危害電氣設備的絕緣水平，增加介質損耗，導致充電電流增大，從而引起各種故障[3]。

4.1 非線性負載的特征

（1）產生大量的諧波污染。非線性負載無不例外的會產生不同程度諧波，沖擊性負載發出連續頻譜的諧波電流，更有甚者產生大量的分數次諧波；（2）引起電壓波動及電壓閃變；（3）產生負序電流。非線性負載的不對稱性會產生負序電流，其主要負載就是電氣化軌道的客車。

4.2 非線性負載對供電系統穩定的影響

諧波使供電電壓波形畸變，導致供電質量下降。同時，電路經過諧波電流后有發生諧振的潛在危險，諧振現象一旦出現將出現的過電流、過電壓問題，促使供電系統安全穩定的運行受到進一步危害，基本表現為：（1）使保護裝置、繼電器誤動或拒動，如零序電流過流極易造成接地保護誤動的情況；（2）供電線路的容量降低；（3）諧波會影響信息傳輸質量；（4）電路中的諧波可能導致長距離輸電無法單相重合閘成功；（5）影響到避雷器的正常運行；（6）使開關的開斷更加困難；（7）阻礙開關的正常開斷。

5 目前解決變頻空調對供電電源影響通常使用的方法

（1）變頻空調的隔離、屏蔽、接地：單獨設置變頻空調的供電電源，與其它設備的供電電源分別布置，或將隔離變壓器安裝在變頻空調和其它用電設備的輸入側。

（2）加裝交、直流電抗器：當配電變壓器容量大于一定數值時，10倍以上的變壓器容量大于變頻器容量，則需在變頻空調輸入端增加交流電抗器。而當配電變壓器輸出電壓三相不平衡，且大于3%的不平衡率時，變頻空調輸入電流峰值會特別大，極易造成電路過熱，此時也需安裝交流電抗器。如果情況更惡劣，則需安裝直流電抗器。

（3）在非線性負載與供電系統輸出間增加無源濾波單元：在變頻空調的交流端安裝無源濾波器，無源濾波器通過 L、 C、 R元件組成諧波共振回路，當某一次高次諧波電流頻率與 LC回路的諧波頻率相同時，就能阻止電路中高次諧波的流入。此方案的特點是、高效率、成本低、結構簡單、維護方便和運行可靠。缺點是系統參數會對濾波造成影響，同時有可能放大某些次諧波導致消耗多、體積大。

（4）在非線性負載與供電系統輸出間增加有源濾波單元：上世紀初，有科研人員提出有源濾波器的理論設想，通過有源濾波器檢測電流中的高次諧波，而后跟根據檢測的結果，輸入與高次諧波成分具有相反相位電流，實現補償諧波電流的目的（實時補償）。有源濾波器與無源濾波器相比具有快速響應性和高度可控性，特點是一機多能，且可消除與系統阻抗發生諧振危險，亦能自動跟蹤補償變化的諧波。但存在容量大，價格高昂等特點。形，也有非常良好的效果。

6 結語

由此可見，供電系統輸出電壓在大量非線性負載情況下，必然被動顯現大量諧波，所以，在選擇變頻空調時，應注意供電電源及供電電路的選擇，避免因變頻空調這一非線性負載工作時對供電電源的影響，進而導致其他設備的損壞。