淺談變頻器高次諧波的危害及抑制措施

滕廣琴

摘 要：針對一起變頻器因高次諧波干擾被擊毀的事故，淺談諧波產生的原因，并提出抑制措施，提高了變頻器抗高次諧波干擾的能力。

關鍵詞：變頻器;高次諧波;干擾

隨著經濟的快速發展，變頻調速在港口裝卸機械上的應用越來越廣泛，但變頻器輸入輸出側高次諧波所產生的電磁干擾嚴重影響了電網的供電質量，不僅影響變頻器自身運行，還會干擾周邊計算機、PLC等弱電設備。本文從近年來發生的一起比較典型的變頻器諧波干擾事故出發，簡述變頻器高次諧波的危害及抑制措施。

1 故障經過

2018年8月11日，防城港二十萬噸碼頭4#斗輪機回轉變頻器（AB700系列）在卸船堆料作業過程中突然被燒壞。筆者拆開變頻器檢查，發現里面的濾波電容被擊穿燒熔，但回轉電機絕緣正常。重新換上一臺備用變頻器，但用不到一天，又被擊穿燒壞。這個現象十分蹊蹺，單獨操作回轉時回轉變頻器能正常工作，但只要操作斗輪機行走時回轉變頻器馬上燒壞。于是筆者懷疑回轉變頻器擊毀是由于行走變頻器產生的高次諧波反饋回供電母排所致。

2 故障分析

為查明諧波產生的真正原因，筆者利用諧波專用測試儀（FLUCK 43B）對斗輪機動力供電母線系統進行檢測。

首先，筆者通知斗輪機司機僅操作斗輪機回轉，測得電網電壓畸變率THDv不到1.7%。該變頻器是美國產品，其說明書明文規定，電網∑THDv不得超過3%。因此，測試結果表明斗輪機僅回轉時諧波引起的電網畸變率是在合理范圍內的。

其次，筆者通知斗輪機司機僅操作斗輪機行走。檢測表明，斗輪機行走時，產生大量的高次諧波電壓，其中29、31、33次高次諧波的電壓畸變率THDv達99.5%以上，而電壓總畸變率∑THDv達91%，嚴重超過了國家標準GB/T14549-93《電能質量共用電網諧波》里的要求。GB/T14549-93中規定，公用電網諧波電壓限值為380V（相電壓220V）電網電壓總THDv為5%，各次諧波電壓含有率奇次為4%，偶次為2%。最后筆者對斗輪機行走系統進行全面檢查，發現行走1、2#變頻器各有1臺和2臺行走電機絕緣不足0.2MΩ，經修復電機后，斗輪機恢復正常。

通過以上檢測試驗，綜合分析，認定故障原因是由于斗輪機行走變頻系統產生的高次諧波造成的。斗輪機行走系統由兩臺變頻器驅動，每臺變頻器驅動8臺行走電機。行走變頻器的過流、過壓值是按8臺電機一起工作時設計的，實際測試表明，當有1～2臺電機絕緣不足時，行走變頻器仍可正常工作，但因工況異常，行走變頻器此時產生大量高次諧波返回斗輪機動力供電母線系統，由于回轉變頻器容量要比行走變頻器小得多，且變頻器電容對高次諧波異常敏感最終導致回轉變頻器被高次諧波擊穿燒毀。

3 諧波的產生及危害

變頻器由于本身的電力電子元件特性，其輸入側和輸出側都是一個非線性的電路，其電路本身含有豐富的高次諧波分量，除有可能造成上述的故障事故外，變頻器產生的諧波還可能對我港區的供電系統帶來以下危害：

（1）變頻器諧波使公用電網的元件產生了附加的諧波損耗，降低了供用電設備的使用率，大量的三次諧波流過中線時會使線路過熱甚至發生火災。

（2）變頻器諧波影響各種電氣元件的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪音和過電流，使電容器、電纜等設備過熱，絕緣老化、壽命縮短以至擊毀損壞。

（3）變頻器諧波會引起公用電網局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，這就使上述的危害大大的增加，甚至引起嚴重事故。

（4）干擾通信系統的工作。

（5）干擾繼電保護裝置和測量儀表的正常工作。

4 高次諧波的抑制措施

4.1 使用獨立專用的變壓器

新大型設備機械的變頻器盡量使用獨立專用的變壓器，使變頻器產生的高次諧波與其它供電系統隔離，筆者認為這是比較簡單可行的一個方法，但也存在著變壓器的容量要求足夠大，變壓器損耗較大的問題。目前這一方法在大型設備如斗輪機、卸船機得到應用。

4.2 安裝輸入和輸出電抗器

盡量縮短變頻器與電機的距離，應盡量控制在200m內，減少諧波對變頻系統的干擾，如線路較長，則考慮在變頻器輸入側與輸出側串接合適的電抗器，吸收諧波和增大電源或負載的阻抗，達到抑制諧波的目的。當然，受電抗器特性的影響，電抗器消除諧波的范圍較窄。

4.3 多相脈沖整流

在條件具備的情況下，或者要求產生的諧波在比較小的情況下，可以采用多相脈沖整流的辦法。防城港20-22泊位的所有皮帶機就是使用12相脈沖整流的變頻器。12相脈沖整流THDv大約為10%～15%，18相脈沖整流THDv大約為3～8%，滿足國際標準的要求，缺點是需要專用整流變壓器，不利于設備改造，價格較高。

4.4 安裝電源濾波器或動態無功補償及諧波治理裝置

在變頻器輸送入側安裝電源濾波器或動態無功補償及諧波治理裝置，實時從補償對象中檢測出變頻器諧波電流，由補償裝置產生一個與該變頻器諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，從而使電網電流只含基波電流。由于這種方案對變頻系統影響較小，這是對防城港老式大型設備機械進行改造的最佳方案。

5 結論

變頻器因其節能效果明顯，調速方便，網絡化等優點而得到越來越廣泛的應用，但變頻器特有的工作方式帶來的諧波干擾是一個非常嚴重的問題。所以，分析和研究抑制變頻器諧波干擾的方法將對我們電網質量的提高，設備的安全運行和生產效率的提高具有十分重要的意義。

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