变频器谐波的危害及抑制方法

[摘要]阐述谐波的定义,变频器谐波产生的根本原因,谐波对公用电网的危害。对于抑制变频器谐波问题提出可供参考的解决方法。

[关键词]变频器 谐波 危害 解决方法

中图分类号:TM4文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0920041-01

一、前言

随着电力电子工业的快速发展和节能意识的增强,变频器装置凭借其高效、节能和智能化的特点,已成为工业调速传动领域中重要的基础设备。然而,由于变频器的特殊组成结构,将大量的谐波和无功功率注入电网,使电网的电能质量下降。所以了解变频器产生谐波的原因及其危害,探讨综合治理的方法,抑制谐波污染,提高电网功率因数已成为工业控制领域面临的一个重大研究课题。

二、谐波及产生

谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量,通常也称为高次谐波。每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以分为偶次与奇次谐波,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。

谐波产生的原因主要是由于电力系统中存在非性线元件及负载,当电流流经它们时,与所加的电压不呈线性关系,使电压、电流波形发生畸变,从而产生谐波。谐波源是指向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备,其中主要的谐波源是各种电力电子装置,如整流装置、交流调压装置。变频器内部大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件,使得变频器从电网中吸取的是由频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成的非同期正弦波电流。

三、谐波的危害

理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现,对公用电网是一种污染,对其他控制系统的控制也可以造成严重影响和不良后果。由于电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重,由谐波引起的各种故障和事故也不断发生,谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面:1.产生了附加的谐波损耗,降低了电能的生产、传输和利用的效率。2.使电气设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁。3.引起电力系统局部并联谐振或串联谐振,使谐波含量放大,造成电容器等设备烧毁。4.使某些电气测量仪表受谐波的影响而造成误差。5.干扰邻近通信系统、载波遥控设备,降低通信质量,甚至使通信系统无法正常工作。

四、变频器的谐波治理

变频器方便、高效使用的同时,给公用电网注入了大量的谐波和无功功率,对用电设备和电网本身都造成很大的危害。世界许多国家发布了限制电网谐波的国家标准。我国由技术监督局于1984年和1993年分别发布了“电力系统谐波管理规定”和国家标准(GB/T14549-93)<<电能质量公用电网谐波>>,用以限制供电系统及用电设备的谐波污染。消除变频器谐波对电网和电气设备的干扰,采取的主要措施是:

(一)隔离干扰源,减少谐波侵入

所谓隔离干扰,是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来,使它们不发生电的联系。常用方法有:1.变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立,或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器,切断谐波电流。 2.电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆,并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设,避免辐射干扰。3.变频控制系统的信号线要很好地绝缘,应采用屏蔽线。4.变频器应使用可靠地专用工作接地线,它分为电源地、信号地、屏蔽地。5.对于装设多台变频器的场合,可各配专用的变压器,利用输入变压器相位错开的方法抑制高次谐波。

(二)改造电力电子装置,减少谐波含量

减少谐波含量主要是从变流装置本身出发,通过变流装置的结构设计和增加辅助控制策略来减少或消除谐波,目前采用的技术主要有:1.在变频器交流输入侧设置交流电抗器,增大整流阻抗使整流重叠角增大,减小高次谐波。2.在整流桥和滤波电容之间串联直流电抗器进行滤波,提高功率因素。3.应用多重脉冲整流技术,采用移相多重法、顺序控制和非对称控制多重化等方法,达到消除指定谐波和控制基波幅值的目的。4.采用更高频率的开关元件、变频器输出端加装滤波器,降低PWM控制的输出波形中所含有的交流谐波成分,用随机法调节切换频率和闭环控制控制PWM输出波形的各个转换时刻,保证四分之一波形的对称性。

(三)安装电力滤波器,提高滤波性能

在低压电网中,当谐波电流畸变率THD_I>10%,或谐波电压畸变率THD_V>3%时,电力滤波器能有效地抑制谐波的传导干扰。

1.无源电力滤波器(PPF)。无源电力滤波器即利用电容和电抗器组成LC调谐电路,在系统中能够为谐波提供并联低阻通路,起到滤波作用;同时,利用电容还能补偿无功功率,改善电网的功率因数。无源滤波器因其结构简单、投资少、运行可靠性较高以及运行费用较低,适用于稳定、不改变的系统。但缺点是只能滤除特定次谐波,过载能力小,稳定性较差,体积大,损耗大等。

2.有源谐波调节器(APF)。有源电力滤波器利用脉冲宽度调制(PWM)控制技术对电流频率和幅值都变化的谐波进行实时跟踪补偿,修正电流波形,提高功率因数,有效地抑谐波制,是目前最有效的一种滤波技术。但是有源电力滤波器有容量大、成本高的缺点,在广泛使用上受到一定的限制。

3.混合型电力滤波器。为了充分发挥有源电力滤波器补偿性能好的优点,克服有源电力滤波器容量大、成本高的缺点,目前,在谐波治理方面,出现了无源滤波器与有源滤波器互补混合使用的方式。它采用开关频率较低的IGBT构成的逆变器来进行无功补偿,由开关频率高,耐压较低的MOSFET构成的逆变器进行谐波电流补偿,高频逆变器的输出侧采用变压器隔离,可消除大部分干扰,使整个系统获得良好的性能。

五、结束语

在人们节能意识日渐增强的今天,只要清楚地认识变频器谐波产生的原因与危害,正确掌握抑制谐波的方法,就可以将变频器产生的谐波控制在最小范围内,达到科学合理用电,严格抑制电网污染,提高电源质量。使电力电子技术和变频调速在工业生产和日常生活中发挥更大的作用。

参考文献:

[1]王兆安、黄俊,电力电子技术(第4版),北京:机械工业出版社,2000.1.

[2]戴泽云,变频器谐波的产生与抑制,工控网.

[3]张燕宾等,实用变频调速技术培训教程,北京:机械工业出版社,2003.8.

[4]吴忠智、吴加林,变频器应用手册,北京:机械工业出版社,2004.6.

作者简介:

李崇华(1967-),女,汉族,湖南人,副教授,主要研究方向:工业自动控制。