变频器的谐波危害及其治理措施

变频器的谐波危害及其治理措施变频器 谐波 危害 治理1引言 在工业调速传动领域中，与传统的机械调速相比，使用变频器调速有诸多优点，故其应用非常广泛，但由于变频器逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载，变频器在现场通常与其它设备同时运行，例如计算机和传感器，这些设备常常安装得很近，这样可能会造成相互影响。因此，以变频器为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源之一，其对电力系统中电能质量有着重要的影响。2谐波产生的过程 谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。 变频器是工业调整传动领域中应用较为广泛的设备之一。变频器是把工频（50Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电转换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。由于变频器逆变电路的开关特性，对供电电源形成了一个典型的非线性负载。因此以变频器为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源之一。 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，而基波是指其频率与工频相同的分量。就电力系统三相交流发电机发出的电压来说，可以认为其波形基本上是正弦量，即电压波形基本上无直流和谐波分量。但由于电力系统中存在着各种各样的谐波源（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），特别是变流装置等设备。其中变频器的输入侧产生谐波的机理是：凡是在电源侧有整流回路的都产生因其非线性引起的谐波。而变频器输出侧产生谐波的机理是：在逆变电路中，对于电压型电路来说，输出电压是矩形波。对电流型电路来说，输出电流是矩形波。矩形波中含有较多的谐波，对负载会产生不利影响，因此即使电力系统中电源的电压是正弦波，也会由于非线性元件的存在使得电网中总有谐波电流或电压的存在。因此电网谐波的存在主要在于电力系统中存在各种非线性元件。 谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶（M.Fourier）分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。3谐波危害 对于电力系统来说，电力谐波的危害主要表现有以下几方面： (1)增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设备的利用率和经济效益 电力谐波对输电线路的影响 谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。 电力谐波对变压器的影响 谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损。对带有非对称性负荷的变压器而言，会大大增加励磁电流的谐波分量。 电力谐波对电力电容器的影响 含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电容器过负荷甚至爆炸，同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使故障加剧。 (2)影响继电保护和自动装置的工作可靠性 特别对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁电力系统的安全运行。 (3)对通讯系统工作产生干扰 电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，甚至在极端的情况下，还会威胁着通信设备和人员的安全。 (4)对用电设备的影响 电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件温度出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，严重时甚至损害机器。 4谐波的治理措施 治理谐波问题，抑制辐射干扰和对供电系统的干扰，可采取屏蔽、隔离、接地及滤波以及加装吸收装置等技术手段。附图 1588-P01变频器进线侧波形对比注：附图中接近梯形的图形为变频器进线电流波形图，另外的锯齿状图形为频谱图。 (1)使用无源滤波器或有源滤波器 使用无源滤波器其主要是改变在特殊频率下电源的阻抗，适用于稳定、不改变的系统。而使用有源滤波器主要是用于补偿非线性负载。LC滤波器是传统的无源谐波抑制装置，它由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除具有滤波作用外，还有无功补偿的作用。 (2)增加变压器的容量，减少回路的阻抗及切断传输线路法 由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其它负载，引起谐波电流在其上流过，因此，减少谐波危害的措施也可从加大电缆截面积，减少回路的阻抗方式来实现。目前，国内较多采用提高变压器容量，增大电缆截面积，特别是加大中性线电缆截面，以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件等办法，但此种方式不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，又加大了投资，增加供电系统的隐患。 (3)安装谐波吸收装置 2008年我公司聚酯装置大修期间改造应用的是EP-2500和EP-2000谐波吸收装置，将其并联安装在变频器进线侧，这种谐波吸收装置是一种无源类型的，EP装置内置的多通道频谱仪并联在电路中连续不断地监测系统中电流或电压的每一状态，当呈现电压谐波时，低通滤波器就起拉长和吸收的作用。当出现一个瞬时的高压瞬变或浪涌时，MOV（金属氧化物变阻器）就将它箝位在正弦波形峰值的水平上。这个箝位作用产生的能量是由箝位的电压和瞬变电压的峰值的差值、MOV(金属氧化物变阻器)的阻抗以及瞬变的持续时间来决定的，EP-2500可承受60万焦耳的能量。EP装置阻隔并吸收掉电路中的高次谐波，又不干扰其他设备，使设备安全运行，保护了设备，使其寿命延长。当消除谐波后，势必会减少导体的集肤效应，避免导体的温度升高，减少了不必要的能耗，从而有效的节约电能。 2009年3月份聚酯装置开车后，新改造的EP谐波装置也随即投入运行使用，我们采用日本横河DL750（采样点500万个）波形记录仪对使用效果进行了对比调查试验， 现选取1588-P01变频器的数据来看实际的应用效果, 其电机及变频器参数为： 电机：1LA6 316 4AA60-Z，160kW，275A，400V/，1485r/min； 变频器：6SE7032-6EG80-Z 180kVA。 仪器检测的波形如下附图所示: 从附图可以看到：从安装前与安装后的波形图来看，正弦波上的高次谐波造成的毛刺现象基本消除，EP装置不仅起到了电压嵌位作用，并且把难以消除的高次谐波基本吸收掉（消除99%的高次谐波分量）；从安装前与安装后的频谱图来看，高于50Hz的谐波噪声得到有效的抑制，达到-40db的衰减，250Hz650Hz的电压畸变率衰减了60%以上，而1000Hz以上的频谱相当平直，电压畸变率几乎为零；从PET变电所变压器出口端进行测量对比，所得到的波形图和频谱图也有相当改善。5经济效益评价 谐波电流在电网中流动会产生有功功率损失，它构成了电网线损的一部分，对电网的经济运行很不利。谐波源外送的谐波有功功率是由从电网吸收的基波有功功率的一部分转化而成的，由此减少了电网可用容量，同时谐波功率本身即构成了经济损失。 为了计量加装EP装置的节能效果，我们对变频器的相关参数进行了跟踪，目的是测量1588-P01的实际耗电量，所测得的数据如表1、2所示：（测量期间工艺生产已稳定，电机转速只做微调，272Hz附近调节） 节能效果：E=（W1-W2）/W1100%= 4.6% 上述数据采集的是改造项目中一台典型的变频器数据，此次聚酯装置改造共包括16台EP装置，这样计算下来，节能效果是很可观的。6结束语 综上所述，可以清楚地了解谐波产生的原因，在具体治理措施上可以采用无源滤波器、有源滤波器，EP谐波吸收装置等来减少回路阻抗，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、抑制电网污染、节约能源、提高电源质量的目的。金建新更多请访问：中国自动化网()