用并聯(lián)有源濾波器治理變頻器類諧波的分析

摘要：文章針對變頻器這一特殊諧波源設(shè)備，從變頻器的工作原理入手，分析了變頻器產(chǎn)生諧波的原因和危害，由此提出采用并聯(lián)有源濾波器濾除諧波的方法。并分析了淮化集團(tuán)甲胺生產(chǎn)線如何采用并聯(lián)有源濾波器,解決因變頻器所導(dǎo)致的諧波問題。
關(guān)鍵詞：變頻器；諧波；濾除；有源濾波器

近年來，我國變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)取得了相當(dāng)大的發(fā)展，安徽淮化集團(tuán)甲胺生產(chǎn)線中含有大量變頻設(shè)備，對電能質(zhì)量造成較大的干擾，變壓器和電機在不同程度上均出現(xiàn)了溫度過高和噪聲較大的現(xiàn)象，集團(tuán)公司提出了迫切的治理要求。

1諧波的危害

　　變頻器主要產(chǎn)生5、7次等6n±1次諧波，諧波導(dǎo)致?lián)p耗增加和設(shè)備壽命縮短。諧波的危害主要體現(xiàn)在對以下幾類元器件的影響：

　?。?） 變壓器。諧波電壓和諧波電流將增加變壓器銅損和鐵損，結(jié)果使變壓器溫度上升，影響絕緣能力，造成容量裕度減小。諧波還能產(chǎn)生共振及噪聲。

　?。?） 電動機。諧波電壓在電動機短路阻抗上產(chǎn)生的諧波電流和電動機負(fù)序基波電流一起使設(shè)備產(chǎn)生附加銅耗和鐵耗，引起電機發(fā)熱，甚至燒毀，并且在電動機起動時容易發(fā)展成脈動干擾力矩，這些力矩產(chǎn)生較大的噪聲。諧波電流和負(fù)序基波電流有效值之和一般不得大于電動機額定電流的5%～10%。

　　（3） 電容器。諧波可使電容器介質(zhì)損耗增加、發(fā)熱和壽命縮短；大量吸收諧波會導(dǎo)致電容器過流，引起熔絲熔斷；電容器與電網(wǎng)電感形成串聯(lián)諧振回路，能導(dǎo)致諧波的放大、電容燒毀等。在畸變電壓下電容器的電流有效值為：規(guī)程規(guī)定電容器長期工作電流不得超過1.3倍額定電流。位于諧波源附近的電容器或者濾波電容器通常按較高的電流有效值特殊制造。

　?。?） 電子裝置。諧波電壓可使晶閘管觸發(fā)裝置發(fā)生觸發(fā)錯誤，甚至導(dǎo)致設(shè)備故障。諧波也會對電網(wǎng)音頻控制系統(tǒng)和計算機產(chǎn)生不良影響。

　?。?） 通信系統(tǒng)。在2.5kHz以下導(dǎo)線間電感電容耦合作用隨頻率呈近似線性上升，特別是較高次諧波會對通信及信息處理設(shè)備產(chǎn)生干擾。

2諧波的濾除

　　針對淮化集團(tuán)這一類典型的使用變頻器比較多的企業(yè)，在改善電能質(zhì)量方面通常可采用且經(jīng)濟(jì)可行的方法是，在企業(yè)內(nèi)部的主電路上裝設(shè)一套諧波濾除裝置。濾除諧波的方式按工作原理主要分為“主動型”和“被動型”兩類。傳統(tǒng)的LC濾波器為“被動型”的代表，它結(jié)構(gòu)簡單，控制方式較容易實現(xiàn)，不需要很大的經(jīng)濟(jì)投入，目前仍有相當(dāng)多的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，諧波治理技術(shù)的一個重要趨勢是應(yīng)用有源電力濾波器，即主動型。
有源電力濾波器通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接到主電路中，從主電路中實時檢測出諧波電流，然后控制逆變電路產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等、方向相反的補償電流分量，并注入到主電路中抵消原諧波電流，從而達(dá)到濾除諧波的目的。并聯(lián)有源濾波器因其在諧波治理方面的良好性能以及在工程實施中便于安裝，在目前得到相當(dāng)多的應(yīng)用。圖1為并聯(lián)有源濾波器的原理框圖?！?

I_s—系統(tǒng)電流；I_t—檢測電流；I_c—補償電流分量



圖1并聯(lián)有源濾波器原理

　　并聯(lián)有源濾波器特性不受系統(tǒng)阻抗影響，不會與電網(wǎng)發(fā)生諧振，并具有高度可控性和快速跟蹤性，可以適應(yīng)多臺變頻器不同步運行的復(fù)雜工況?？梢酝瑫r補償各次諧波電流，克服了LC濾波器只能針對某次諧波電流進(jìn)行濾波的缺點，從而保障了良好的濾波效果，可以對系統(tǒng)中的所有負(fù)載進(jìn)行綜合治理，性價比較為合理。

3并聯(lián)有源濾波器的應(yīng)用

　　淮化集團(tuán)甲胺生產(chǎn)線共有2個低壓配電房NF71變和NF73變，系統(tǒng)主接線圖如圖2所示。其中NF71變分別有2臺變壓器，容量均為1600kVA，電壓等級為6.3kV/0.4kV，采用Yyn0連接方式，阻抗電壓百分比為4.3%，2臺變壓器長期單獨運行；NF73變也分別有2臺變壓器，容量均為1250kVA，電壓等級為6.3kV/0.4kV，采用Yyn0連接方式，阻抗電壓百分比分別為4.4%，2臺變壓器長期單獨運行。4臺變壓器下的主要負(fù)載都是變頻器和部分整流設(shè)備，這是主要的諧波源。并聯(lián)濾波裝置的安裝點如圖2中所示的A、B、C、D4處。各個變壓器下負(fù)載的運行方式都很類似，現(xiàn)以NF71變下的1號變壓器為例進(jìn)行分析。

圖2系統(tǒng)主接線圖

　　該支路的短路容量為35 MVA，圖3為現(xiàn)場測試時所抓拍的電壓畸變圖和電流頻譜圖。從圖片可以看出，諧波成分以5次和7次為主，根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析出5次諧波電流大小為235.6A（95%概率大值，下同），7次諧波電流大小為161.2A，5次、7次諧波電流均已超出國標(biāo)值所規(guī)定范圍?？傊C波電流大小為305.9A。系統(tǒng)功率因數(shù)在0.92左右。在整個測試周期中，系統(tǒng)總電流在665.1～1
023.7A之間波動，在某些時段內(nèi)電流短時間的變化幅度特別大，這主要是由于生產(chǎn)工藝對速度、壓力等物理量的要求較嚴(yán)格所造成的。對應(yīng)在這些時段中的諧波電流分量變化也非常地大，這就對濾波裝置的快速響應(yīng)能力提出了較高的要求?！?

圖3電壓畸變圖和電流頻譜圖

　　淮化集團(tuán)甲胺生產(chǎn)線改造工程是綜合考慮以上各方面因素后選擇了上海追日電氣有限公司ZRAF系列并聯(lián)有源濾波器的。表1為裝置使用前后的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)。圖4為系統(tǒng)使用ZRAF系列并聯(lián)有源濾波器后，電網(wǎng)側(cè)電壓畸變圖和電流頻譜圖。

　　使用并聯(lián)有源濾波裝置后，系統(tǒng)中的各項電能質(zhì)量指標(biāo)均達(dá)到考核標(biāo)準(zhǔn)，整個生產(chǎn)線的設(shè)備運行穩(wěn)定，原有的變壓器和電機出現(xiàn)的溫度過高和噪聲較大現(xiàn)象均得到明顯改善。

表1使用ZRAF系列并聯(lián)有源濾波器前后現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)比較

圖4使用ZRAF系列并聯(lián)有源濾波器后電網(wǎng)側(cè)電壓畸變圖和電流頻譜圖

4結(jié)論


　　淮化集團(tuán)甲胺生產(chǎn)線因諧波電流影響所導(dǎo)致的各種電氣故障在使用了并聯(lián)有源濾波裝置后得到了明顯改善。并聯(lián)有源濾波裝置針對變頻器類諧波源的治理效果具體體現(xiàn)為消除諧波電流、降低電氣故障率、提高電能使用效率等。隨著變頻器日益廣泛的使用，諧波所造成的電能質(zhì)量問題越來越受到社會的重視，并聯(lián)有源濾波裝置在治理電能質(zhì)量問題方面將會有越來越多的應(yīng)用。

收稿日期：2005-07-11

作者簡介：

　　時慶兵(1970-)，男，工程師，主要從事工業(yè)電氣與自控系統(tǒng)工程設(shè)計、智能建筑電氣設(shè)計及應(yīng)用軟件開發(fā)與設(shè)計工作。