變頻器對(duì)電網(wǎng)的污染及對(duì)策

1、-淺析變頻器對(duì)電網(wǎng)的污染及對(duì)策摘要：在變頻器被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的時(shí)候，作為電網(wǎng)的負(fù)載，變頻器裝置給電網(wǎng)帶來(lái)的污染不可無(wú)視，本文結(jié)合工作實(shí)踐，重點(diǎn)對(duì)諧波污染的產(chǎn)生及設(shè)備調(diào)試中采用的各種抗污染的方法進(jìn)展了分析和介紹。關(guān)鍵詞：變頻器 諧波影響 對(duì)策1 引言   變頻器作為電力電子技術(shù)的核心器件或設(shè)備，已被廣泛用于空調(diào)、電冰箱、微波爐、洗衣機(jī)、電磁爐等時(shí)尚家電領(lǐng)域，同時(shí)作為交、直流電機(jī)傳動(dòng)控制的新型調(diào)頻調(diào)壓電源被大量用于交直流調(diào)速控制、伺服控制、節(jié)能控制等等不同的領(lǐng)域和場(chǎng)合。這些都是變頻器技術(shù)的開(kāi)展帶來(lái)巨大成果和效益，對(duì)更新傳統(tǒng)產(chǎn)品、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高自動(dòng)控制水平、方

2、便生產(chǎn)和生活創(chuàng)造巨大的價(jià)值，還處于不斷開(kāi)展和創(chuàng)新之中，倍受廣泛重視。但是，不能無(wú)視的是在采用變頻器的過(guò)程中，作為電網(wǎng)的負(fù)載，變頻器給電網(wǎng)帶來(lái)的電磁諧波污染的嚴(yán)峻性?，F(xiàn)在各國(guó)對(duì)變頻器入網(wǎng)的 “治污都有明確的要求和標(biāo)準(zhǔn)。 因此變頻器的生產(chǎn)者、使用者應(yīng)該了解變頻器使用給電網(wǎng)帶來(lái)的直接影響，給共網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)帶來(lái)的直接和間接危害，本文對(duì)變頻器對(duì)電網(wǎng)的電磁諧波污染及對(duì)策進(jìn)展探討，以期與讀者共同探索抑制或降低污染的措施。2AC-DC-AC變頻器系統(tǒng)的諧波分析2.1 AC-DC-AC變頻器一般分析交流變頻傳動(dòng)控制是變頻器最具代表性的應(yīng)用。交流電機(jī)所需的交流電是通過(guò)變頻器，將工頻電網(wǎng)電通過(guò)AC-DC-AC或AC

3、-AC的兩種形式變換，再輸出頻率和電壓可以同時(shí)或分別控制的、電機(jī)要求的交流電源，到達(dá)交流電機(jī)調(diào)速控制的目的。本文主要討論 AC-DC-AC變頻器，其根本構(gòu)造如圖1所示。圖1 AC-DC-AC變頻器主電路圖1中，逆變?nèi)噍敵鯱、V、W可接三相交流負(fù)載。 AC-DC-AC變頻器即交-直-交變頻器，其功能是先把工頻三相交流電R、S、T通過(guò)三相整流器變成脈動(dòng)直流，再經(jīng)過(guò)電感或電容濾波成所需直流，然后通過(guò)逆變環(huán)節(jié)把直流電變換成頻率、電壓均可調(diào)控的三相交流電，向三相交流負(fù)載供電。所以AC-DC-AC變頻器主電路包括整流器、直流濾波、逆變器三大局部組成。  

4、 顯然，上述AC-DC-AC主電路構(gòu)造，其整流和逆變環(huán)節(jié)都具有非線性特性，無(wú)論是AC-DC變換，還是DC-AC變換，都會(huì)產(chǎn)生高次諧波。高次諧波會(huì)通過(guò)的系統(tǒng)竄入交流電網(wǎng)，使電網(wǎng)的電壓波形和電流波形發(fā)生畸變。如果不采取有效措施抑制，這種因高次諧波產(chǎn)生的波形畸變對(duì)共網(wǎng)運(yùn)行的其它各種電氣設(shè)備，如自動(dòng)化裝置、計(jì)算機(jī)、計(jì)量?jī)x器以及通信系統(tǒng)等均有產(chǎn)生不同程度的影響，甚至使設(shè)備誤動(dòng)作，導(dǎo)致平安事故。同時(shí)高次諧波還會(huì)增加供電線路的諧波損耗，惡化電網(wǎng)質(zhì)量指標(biāo)，降低電網(wǎng)的可靠性，縮短電氣設(shè)備的壽命。 2.2諧波和無(wú)功功率的產(chǎn)生機(jī)理1輸入側(cè)產(chǎn)生諧波一般變頻器的輸入側(cè)是整流電路，如圖2B所示。目前，國(guó)AC-D

5、C-AC變頻器常用的整流電路幾乎都采用晶閘管相控整流或二極管整流，其中以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。帶阻感負(fù)載的整流電路所產(chǎn)生的諧波污染和功率因數(shù)滯后已為人們所熟悉。當(dāng)采用電容濾波或電感濾波的二極管整流電路，如工作在電流斷續(xù)狀態(tài)，其輸入電流為非正弦波,如圖2中A所示,它含有豐富的高次諧波成分，給電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，也使得總的功率因數(shù)降低。圖2 三相橋式整流回路及輸入側(cè)波形同時(shí)也產(chǎn)生大量的諧波，消耗一定的無(wú)功功率。 變頻器調(diào)速裝置帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載，要消耗無(wú)功功率。如輸入側(cè)的三相橋式整流電路工作時(shí)基波電流滯后于電網(wǎng)電壓，要消耗大量的無(wú)功功率。另外，這些裝置也會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流

6、，諧波源都是要消耗無(wú)功功率。2輸出側(cè)產(chǎn)生諧波圖3  逆變回路及輸出側(cè)波形在變頻器的逆變輸出端，輸出電壓和輸出電流均含大量諧波。如圖3中C所示，由于變頻器是通過(guò)DSP產(chǎn)生6路可調(diào)的PWM波控制三相的6組功率元件導(dǎo)通/關(guān)斷，從而形成電壓、頻率可調(diào)的三相輸出電壓。其輸出電壓和輸出電流是由PWM波和三角載波的交點(diǎn)產(chǎn)生的，不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，如電壓型變頻器，其輸出電壓波形為方形波，如圖3中A所示，用傅氏級(jí)數(shù)分解電壓方波和電流正弦鋸齒波可分析出包含較強(qiáng)的高次諧波成分，高次諧波對(duì)設(shè)備產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾，甚至造成設(shè)備不能使用，周?chē)鷥x器信號(hào)失真。諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。輸出電流中也

7、具有頻率很高的高次諧波成分，如圖3中B所示。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，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。其中諧波頻率的上下與變頻器調(diào)制頻率有關(guān)，調(diào)制頻率低1-2KHz，人耳聽(tīng)得見(jiàn)高次諧波產(chǎn)生的電磁噪聲尖叫聲；假設(shè)調(diào)制頻率高如IGBT變頻器可達(dá)20KHz，人耳聽(tīng)不見(jiàn)，但高頻信號(hào)客觀存在。從電力方涉及電流正波的基波和其他各次諧波，而高次諧波電流對(duì)負(fù)載直接干擾。另外，高諧波電流還通過(guò)電纜向空間輻射，干擾附近電器設(shè)備。3 諧波的危害及對(duì)設(shè)備的影響    由于變頻器的廣泛應(yīng)用，因此諧波污染電力系統(tǒng)及周?chē)O(shè)備的影響就日益嚴(yán)重，甚至造成其它電子設(shè)備不能

8、正常工作。其危害歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面：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(guò)電流或過(guò)電壓而引發(fā)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、變壓器等運(yùn)行不正常，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(guò)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*些情況下，它不僅產(chǎn)生諧波，而且還引起供電電壓波

9、動(dòng)和閃變，甚至引起三相電壓不平衡，會(huì)危及電網(wǎng)平安經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并影響電氣設(shè)備的正常使用。4降低和防止諧波的方法 為了減小高次諧波產(chǎn)生的干擾，應(yīng)該對(duì)發(fā)生源變頻器進(jìn)展抑制。為解決變頻器裝置的諧波污染問(wèn)題，有三條根本思路：1裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波，這對(duì)各種諧波源都是適用的。2可對(duì)變頻器進(jìn)展改造例如構(gòu)造、工藝、控制等。3在其工作的控制策略上改進(jìn)，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為“1。抑制變頻器諧波污染的具體方法如下：4.1 增加電抗器在變頻器系統(tǒng)裝接濾波電抗器是一個(gè)根本方法。電抗器分交流電抗器包括輸入與輸出電抗器與直流電抗器，如圖4和圖5所示。圖4  交流電抗器圖5&#

10、160; 直流電抗器(1)選擇適宜的電抗器與變頻器配套使用，可以起到較好的效果：交流輸入電抗器的作用l 減少變頻器對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾；l 改善電網(wǎng)質(zhì)量，提高輸入側(cè)的功率因數(shù),減少無(wú)功；l 減少電源浪涌對(duì)變頻器的沖擊，提高變頻系統(tǒng)可靠性；l 有效消除輸入側(cè)的高次諧波，防止因電壓波形畸變?cè)斐善渌O(shè)備損壞；l 消除電源相間不平衡引起的輸入電流不平衡。交流輸出電抗器的作用l 降低電機(jī)的噪聲，降低渦流損耗；l 降低輸入高次諧波造成的漏電流 ；l 延長(zhǎng)電機(jī)到變頻器的平安距離，補(bǔ)償長(zhǎng)線分布電容的影響；l 有效抑制dv/dt.減低高頻漏電流，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命；l 保護(hù)變頻器部功率器件。2安裝電抗器應(yīng)注

11、意以下幾個(gè)問(wèn)題：電抗器必須安裝在距離變頻器最近的地方，盡量縮短與變頻器的引線距離;不能將電源線扭成繩或辮，盡量與控制線分開(kāi)走線;為了防止電抗器在使用和運(yùn)輸過(guò)程中震動(dòng)損壞，請(qǐng)于安裝時(shí)將螺絲緊固，以免產(chǎn)生噪音與事故。4.2加裝EMI濾波器    EMI濾波器如圖6所示。其作用是抑制從導(dǎo)線及金屬管線上傳導(dǎo)無(wú)線信號(hào)到設(shè)備中去，將來(lái)自變頻器的高次諧波分量與電源系統(tǒng)的阻抗別離，或者抑制干擾信號(hào)從干擾源設(shè)備通過(guò)電源線傳導(dǎo)到外邊去。此處是抑制干擾信號(hào)從變頻器通過(guò)電源線傳導(dǎo)到電源或電動(dòng)機(jī)去。    加裝EMI濾波器，還可以減少電磁噪

12、聲和損耗。很多人認(rèn)為EMI電源濾波器的作用是使設(shè)備能夠滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)傳導(dǎo)發(fā)射和傳導(dǎo)敏感度的要求，但這是不全面的。EMI電源濾波器對(duì)抑制設(shè)備產(chǎn)生的較強(qiáng)輻射干擾方面也很重要，合理的解釋是：EMI電源濾波器能防止設(shè)備本身產(chǎn)生的干擾進(jìn)人電源線，同時(shí)防止電源線上的干擾進(jìn)入設(shè)備。圖6  EMI濾波器4.3采用更適宜的控制策略1提高變頻器載波頻率，可以有效抑制低次諧波。PWM輸出的載波頻率對(duì)電機(jī)的噪聲有很大的影響，對(duì)變頻器的干擾也有影響。所以只要載波頻率足夠大，較低次諧波就可以被有效地抑制。2在實(shí)際應(yīng)用中，采用正弦脈沖寬調(diào)制法SPWM或雙SPWM和特定消諧法SHE等 控制策略可以來(lái)優(yōu)化或改善系統(tǒng),更大限度地減少諧波的產(chǎn)生。 4.4 其它措施與方法1 在高頻沖擊負(fù)載如電焊機(jī)、電鍍電源、電解電源等場(chǎng)合建議用戶增加無(wú)功靜補(bǔ)裝置，提高電網(wǎng)功率因數(shù)和質(zhì)量。2 在變頻器比較集中的車(chē)間，建議采用集中整流，直流共母線供電方式。建議用戶采用脈沖整流模式。優(yōu)點(diǎn)是，諧波小、節(jié)能，特別適用于頻繁起制動(dòng)、電動(dòng)運(yùn)行與發(fā)電運(yùn)行同時(shí)進(jìn)展的場(chǎng)合。 3 變頻器輸入側(cè)加裝有源PFC裝置，效果最好，但本錢(qián)較高。4 改善變頻器構(gòu)造,減少變頻系統(tǒng)注入電網(wǎng)的諧波、無(wú)功等污染。5 完畢語(yǔ)&#