簡(jiǎn)論變頻器廣泛應(yīng)用對(duì)電力系統(tǒng)的影響

1 引言

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(guó)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。

然而變頻器在節(jié)能、改善人類生活環(huán)境、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及提高工業(yè)自動(dòng)化程度方面做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)也將產(chǎn)生一些負(fù)面效應(yīng)。

2 變頻器產(chǎn)生諧波

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，在交直交變頻器中，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。交交變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，其只能降低頻率，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。

交直交變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，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。

2.1 諧波的產(chǎn)生

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。具體輸入側(cè)電流各次諧波的實(shí)測(cè)值見圖3，可見主要是5次、7次、11次、13次等特征諧波，同時(shí)含有少量的非特征諧波。

圖4 電壓性逆變器的輸出電壓

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、幅值相等的窄矩形波，其三相的相電壓是階梯波，如圖4所示，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。

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)萘康脑龃?，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。這樣的事故近幾年的發(fā)生率呈上升趨勢(shì)。

2.2 變頻器周圍電氣設(shè)備受諧波的影響

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。

2.3 變頻器諧波抑制措施

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)策和預(yù)防措施是非常重要的。

2.3.1 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;