變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響

1、變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響變頻技術(shù)已廣泛應(yīng)用于空調(diào)、電冰箱、微波爐、洗衣機(jī)、電磁爐、電機(jī)、伺服 電機(jī)這些都是變頻技術(shù)給大眾帶來的公益性，更主要的能夠?qū)崒?shí)在在給我們帶 來實(shí)惠。變頻器主要用于交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是理想的調(diào)速方案，隨著中國經(jīng) 濟(jì)的整體快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的要求逐步提高，變頻調(diào)速以其自身所具有的調(diào)速 范圍廣、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，在許多需要精確速度控制的應(yīng)用中發(fā)揮 著提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的作用。其除了具有優(yōu)良的調(diào)速性能之外，還有顯著的 節(jié)能效果，不僅在相關(guān)工業(yè)行業(yè)，變頻家電在節(jié)約電費(fèi)、提高家電性能、保護(hù)環(huán)境 等方面的優(yōu)勢(shì)也得到了用戶的普遍認(rèn)可和廣泛應(yīng)用。但它并非沒有缺點(diǎn)，也產(chǎn)生了

2、 一些負(fù)面作用，比如在各行業(yè)應(yīng)用中會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染或不良影響。一、變頻器介紹變頻技術(shù)中最具代表性的是“變頻調(diào)速裝置” ，全稱是交流變頻調(diào)速器，用于交 流電機(jī)，在調(diào)整輸出頻率的同時(shí)按比例調(diào)整輸出電壓，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到 交流電機(jī)調(diào)速的目的。變頻器根據(jù)有無中間直流環(huán)節(jié)來分，可以分為交交變頻器 和交直交變頻器。交直交變頻器中，按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，可分為 電壓源型和電流源型。交交變頻器只能降低頻率，同時(shí)輸出電壓波形中含有較大 的諧波，輸入電流諧波嚴(yán)重且功率因數(shù)低，在很多應(yīng)用領(lǐng)域，這些都是不能接受的 技術(shù)缺陷，往往采用具有中間直流環(huán)節(jié)的交直交變頻器。交直交變頻器是先把工頻交流電通過三相整流器

3、變成直流電（直流環(huán)節(jié)可 以是電感器或是電容器），然后再把直流電變換成頻率、電壓均可調(diào)控的交流電； 主電路包括整流器、直流環(huán)節(jié)、逆變器。由于交直交變頻器中含有整流電路， 可控硅元件的導(dǎo)通與關(guān)斷同樣會(huì)因其非線性產(chǎn)生諧波，從設(shè)備流出的諧波因變流器 回路的種類及其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、系統(tǒng)條件等不同產(chǎn)生不同的影響。由于變頻器采用的電路結(jié)構(gòu)是“整流器電容電感器逆變器”，無論是整流器或是逆變器都具有非線性特性，所以它會(huì)產(chǎn)生高次諧波。這種高次諧波會(huì)使輸入 電源的電壓波形和電流波形發(fā)生畸變。如果不采取有效抑制措施，它對(duì)各種電氣設(shè) 備，自動(dòng)化裝置、計(jì)算機(jī)、計(jì)量?jī)x器以及通信系統(tǒng)均有不同程度的影響。對(duì)于供電 線路來說，由于高次

4、諧波的作用，惡化了電網(wǎng)質(zhì)量指標(biāo)，降低了電網(wǎng)的可靠性，增 加了電網(wǎng)損失，縮短了電氣設(shè)備的壽命。變頻器輸入部分電壓主波形為正弦波，但電流波形為非正弦波，這是由整流環(huán) 節(jié)及其開關(guān)元件的參數(shù)離散所引起的。目前，變頻器大部分采用三相橋式整流電路， 輸入電流的波形為三相對(duì)稱的矩形波， 經(jīng)傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和 6n+1 次特征諧波 （n=l ，2， 3）但實(shí)際上由于存在換相重疊角、觸發(fā)脈沖不平衡等不定因素，使得少 量的非特征諧波同時(shí)存在。諧波含有率隨變頻器輸出電壓升高而減小，而基本不受 其輸出頻率和電流的影響。變頻器逆變環(huán)節(jié)往往采用正弦脈寬調(diào)制法 SPWM法，其輸出部分線電壓是正弦脈 寬、幅值相等的窄矩形

5、波，其三相的相電壓是階梯波，其非線性是由SPWM脈寬調(diào)制的性質(zhì)所定的；電流波形和載波頻率比有關(guān)，載波頻率比越高，越接近正弦波，波 形中會(huì)含有和載波頻率相關(guān)的高次諧波，高次諧波電流對(duì)負(fù)載直接干擾，還會(huì)通過 電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。二、變頻器對(duì)設(shè)備的影響 隨著變頻器在各行各業(yè)的應(yīng)用面擴(kuò)大，單機(jī)容量的加大和使用變頻器的總?cè)萘?的增大，因此諧波污染電源及對(duì)周圍其他設(shè)備的影響就日益嚴(yán)重，甚至造成其他電 子設(shè)備不能正常工作。特別是供電線路上通常連接電力電容器，很容易產(chǎn)生并聯(lián)諧 振，使整流器和其它電器設(shè)備因過電流絕緣損壞或燒壞。（1）增加了電網(wǎng)中產(chǎn)生諧振的可能性，從而造成很高的過電流或過電壓而引發(fā)

6、 事故的危險(xiǎn)性。（2）增加附加損耗，如電流諧波將會(huì)使變壓器的銅損增加。電壓諧波將增加鐵 損。（3）使電氣設(shè)備（如電動(dòng)機(jī)、電容器、變壓器等）使用不正常，產(chǎn)生發(fā)熱損耗、 機(jī)械震動(dòng)、噪音、輸出功率損耗；從而導(dǎo)致電機(jī)過熱，加速絕緣老化，從而縮短它們的使用壽命。（4）使測(cè)量和計(jì)量?jī)x器、儀表、自動(dòng)裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以及許多用電設(shè)備運(yùn) 轉(zhuǎn)不正常，影響設(shè)備測(cè)量精度，出現(xiàn)誤動(dòng)作或誤差，使機(jī)械產(chǎn)品加工質(zhì)量降低。（5）干擾通信系統(tǒng)，降低信號(hào)的傳輸質(zhì)量，破壞信號(hào)的正常傳遞，甚至損壞通 信設(shè)備。（6）某些情況下，它不僅產(chǎn)生諧波，而且還引起供電電壓波動(dòng)和閃變，甚至引 起三相電壓不平衡，會(huì)危及電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并影響電氣設(shè)

7、備的正常使用。三、高次諧波電流對(duì)各電器設(shè)備的影響 連接變頻器的電源系統(tǒng)往往有并聯(lián)有電力電容器、發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)等 負(fù)載，變頻器產(chǎn)生的高次諧波電流按著各自的阻抗分配到電源系統(tǒng)和并聯(lián)負(fù)載。下 面敘述高次諧波電流對(duì)各電器設(shè)備的影響。（1）電力電容器根據(jù) IEC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一般電容器最大電流只允許 35的超載。實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于諧 波的影響常發(fā)生嚴(yán)重過載。電容器阻抗隨頻率的增加而減少，故產(chǎn)生諧波時(shí)，電容 器即成為一陷流點(diǎn)流人大量電流，導(dǎo)致過熱、增加介電質(zhì)的應(yīng)力，甚至損壞電力電 容器。當(dāng)電容器與線路阻抗達(dá)到共振條件時(shí)，會(huì)發(fā)生振動(dòng)短路、過電流及產(chǎn)生噪聲。（2）同步發(fā)電機(jī) 變頻器產(chǎn)生的高次諧波電流在同步發(fā)電

8、機(jī)的激磁繞組中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，引起 損耗增加，可能導(dǎo)致電機(jī)過熱、絕緣降低、壽命縮短等。（3）變壓器 電流諧波將增加變壓器銅損，電壓諧波將增加鐵損，綜合效果是使變壓器溫度 上升，影響其絕緣能力，并造成容量裕度減小。諧波也可能引起變壓器繞組及線間 電容之間共振，及引起鐵心磁通飽和而產(chǎn)生噪聲。（4）電動(dòng)機(jī) 諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)額外溫升，電動(dòng)機(jī)往往要降額使用。如果輸入電動(dòng)機(jī)的波形失真，會(huì)增加其重復(fù)峰值電壓，影響電動(dòng)機(jī)的絕緣。（5）電力電子設(shè)備電力電子設(shè)備在多種場(chǎng)合是產(chǎn)生諧波的諧波源，但他自身也很容易感受諧波失 真而誤動(dòng)作。這種設(shè)備靠著電壓的過零點(diǎn)或電壓波形來控制或操作，若電壓有諧波 成

9、分時(shí)，零點(diǎn)移動(dòng)、波形改變，造成許多誤動(dòng)作。（6）保護(hù)繼電器 由于高次諧波的影響，可能引起繼電器過電壓、產(chǎn)生絕緣損壞、振動(dòng)引起的機(jī) 械破壞等等。對(duì)于以有效值為基準(zhǔn)而動(dòng)作的繼電器，高次諧波的存在使得繼電器在 接近額定值處也有誤動(dòng)作的可能。（7）指示電氣儀表 電能表等計(jì)量?jī)x表會(huì)因諧波而造成感應(yīng)轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩，引起誤差， 降低精確度。 20的 5次諧波將產(chǎn)生 10-15 的誤差。過大的諧波電流，也很容易 使儀器里的線圈損壞。四、預(yù)防措施 對(duì)小容量的通用變頻器，高次諧波很少成為問題，但當(dāng)使用的變頻器容量大或 數(shù)量多時(shí)，往往就會(huì)產(chǎn)生高次諧波電流和高次諧波干擾問題，因此對(duì)于高次諧波先 采取適當(dāng)?shù)膶?duì)策

10、和預(yù)防措施是非常重要的。改善變頻器結(jié)構(gòu)可以從變頻器自身硬件結(jié)構(gòu)或者整個(gè)變頻系統(tǒng)的構(gòu)建方式和設(shè) 備選擇等方面考慮，從根本上減少變頻系統(tǒng)注入電網(wǎng)的諧波、無功等污染。（1）變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立，或在變頻器和其他 用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器；（2）在整流環(huán)節(jié)采用多重化技術(shù)， 提高脈波數(shù)， 可以有效地提高特征諧波次數(shù)， 降低特征諧波幅值。對(duì)于大容量晶閘管變頻器可以采取這種方法，利用多重化抑制 流向電源側(cè)的高次諧波；（3）采用高頻整流電路，改善整流波形，提高功率因數(shù)，直流電壓可調(diào)節(jié) ;（4）逆變環(huán)節(jié)采用高開關(guān)頻率高的電力電子器件，如 MOSFE，TIGBT 等，可以 提高載波

11、頻率比，抑制變頻器輸出端的高頻諧波。（5）在逆變環(huán)節(jié)采用多重化技術(shù)，提高脈波數(shù)，使輸出的電流電壓波形更加接 近正弦波。但重?cái)?shù)越多電路越復(fù)雜，可靠性會(huì)隨之降低，三重化電路可以兼顧輸出 波形質(zhì)量和設(shè)備可靠性，較理想。從變頻器控制器這一點(diǎn)出發(fā)，可采用更合適的控制策略或者在原來的控制策略 基礎(chǔ)上作點(diǎn)優(yōu)化和改進(jìn)，原理上更大限度地減少諧波的產(chǎn)生。以實(shí)際應(yīng)用中常用的 正弦脈寬調(diào)制法（ SPW）M法和特定消諧法（ SHE）法為例。在變頻器外部采取濾波電路的措施，綜合考慮變頻器注入電網(wǎng)的特征諧波以及 個(gè)別變頻器的特有非特征諧波特性，制訂濾波方案對(duì)污染源進(jìn)行治理。也即通常說 的先污染，后治理。只用濾波器效果并不理

12、想，與上述二類方法配合作用更見效。（1）若變頻器輸入側(cè)沒有裝設(shè)專用變壓器，可在輸入側(cè)接入交流電抗器（ACL）使整流阻抗增大，抑制高次諧波電流。（2）在變頻器和電網(wǎng)系統(tǒng)間的電力回路中使用交流濾波器。交流濾波器有調(diào)諧 濾波器和二次型濾波器，調(diào)諧濾波器用于單次諧波的吸收，而二次型濾波器則適用 于多個(gè)高次諧波的吸收，一般兩者組合使用，消除某個(gè)單次諧波同時(shí)濾除某次及以 上的諧波。（3）在變頻器輸出端加 LC 濾波器可以濾除變頻器輸出的高次諧波，且可以延 長(zhǎng) PWM的上升沿，減小 dv/dt ，從而抑制變頻輸出過電壓。如果采用 LC 濾波器接外 殼，還可以濾除變頻器輸出的零序分量，避免零序電壓經(jīng)定子繞組與

13、定、轉(zhuǎn)子邊的 寄生電容產(chǎn)生的電流對(duì)電機(jī)等設(shè)備造成損害。五、改善輸入電流不對(duì)稱現(xiàn)象工業(yè)應(yīng)用中的交直交電壓型變頻器往往采用三相橋式結(jié)構(gòu)，低載運(yùn)行時(shí)交 流電源輸入側(cè)輸入電流不對(duì)稱會(huì)引起三相功率因數(shù)不平衡現(xiàn)象。這主要是由于中間 直流環(huán)節(jié)不是無窮大容量，在實(shí)際運(yùn)行中存在充放電過程，變頻器滿載運(yùn)行時(shí)，輸 入輸出電流接近額定值，充放電電流影響不大，但是變頻器在啟動(dòng)后未達(dá)到額定功 率前或者在低載的狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，由于輸入輸出電流也非常的小，充放電 電流的影響就不能忽略。從目前的研究看來，輸入電流不對(duì)稱現(xiàn)象存在的時(shí)間段往往不長(zhǎng)，且只在部分 拓?fù)漕愋偷淖冾l器中體現(xiàn)，整流電路簡(jiǎn)單的控制方式以及直流側(cè)電容容量的

14、限制是 造成輸入電流不對(duì)稱的主要因素，因此本文就改善輸入電流不對(duì)稱現(xiàn)象，提出以下幾條建議：（1）變頻器盡量在額定的功率下運(yùn)行，使得直流環(huán)節(jié)的充放電電流影響變得相 對(duì)微弱；（2）直流環(huán)節(jié)的電容器容量不宜選擇的太小，保證一定的容量以降低充放電電 流的波動(dòng)幅值，改善整流環(huán)節(jié)輸出電流的畸變程度，可以較好的改善變頻器輸入電 流的不對(duì)稱程度；（3）變頻器整流環(huán)節(jié)可以采用更優(yōu)化的整流變換電路，比如高頻整流電路，可 以改善整流輸入波形，提高功率因數(shù)，且功率可雙向流動(dòng)，直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)特性好；（4）可以對(duì)整流環(huán)節(jié)采取多重化技術(shù)，提高整流電路的脈波數(shù)，降低整流環(huán)節(jié) 輸出電壓的波動(dòng)性，減少直流環(huán)節(jié)電容器的充放電電流值

15、。另外，還可以綜合整流、逆變環(huán)節(jié)考慮，合理確定整流和逆變電路的開關(guān)觸發(fā) 角，使整流電路輸入電流的三相波形盡量對(duì)稱，這個(gè)方面還有待進(jìn)一步的研究。變頻器產(chǎn)生諧波以及造成功率因數(shù)不平衡破壞電網(wǎng)的電能質(zhì)量，大量變頻器的 廣泛應(yīng)用對(duì)電網(wǎng)造成的污染越來越嚴(yán)重，首當(dāng)其沖的是影響到其自身的正常運(yùn)行。 變頻器產(chǎn)生的諧波電流在系統(tǒng)阻抗上產(chǎn)生壓降，使得其輸入電壓波形發(fā)生畸變，長(zhǎng) 時(shí)間運(yùn)行在這樣的環(huán)境下，開關(guān)損耗大大增加，開關(guān)元件壽命大大縮短，變頻器很 容易損壞 ;變頻器在輸入波形失真的情況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致整流環(huán)節(jié)控制失靈， 引起開關(guān)元件誤動(dòng)作，甚至在開關(guān)過程產(chǎn)生過電壓燒壞元器件；如果不及時(shí)采取相 應(yīng)措施改善輸入波形，不僅影響到變頻器的正常工作，還會(huì)造成分別與變頻器輸入 端和輸出端連接的相關(guān)電氣設(shè)備燒損。這樣的實(shí)例也越來越多，在近幾年的工作中 已經(jīng)多次目睹類似事故。大量變頻器的廣泛應(yīng)用對(duì)電網(wǎng)造成的污染越來越嚴(yán)重，以諧波污染最為典型， 其他方面