【導(dǎo)讀】通常情況下，連接變頻器的電源系統(tǒng)同時(shí)還并聯(lián)電力電容器、發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)等負(fù)載器件，變頻器產(chǎn)生的諧波電流會(huì)按著電源系統(tǒng)分流到其中，對(duì)各電氣設(shè)備會(huì)產(chǎn)生較大的干擾。
電力電容器由于諧波引起并聯(lián)諧振，則有異常電流流入電容器，其結(jié)果是導(dǎo)致電容器過(guò)熱，絕緣層被破壞。通常，當(dāng)電源阻抗充分小(電源設(shè)備容量大)時(shí)產(chǎn)生的故障很少，但要考慮高次諧波對(duì)低壓電力電容的影響，因此可使用帶6豫串聯(lián)電抗器的電力電容器來(lái)減小諧波干擾，電抗器與電力容器、變頻器連接圖如圖1所示。
自用發(fā)電機(jī)自用發(fā)電機(jī)給變頻器供電或在同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)的系統(tǒng)中接入變頻器，則變頻器產(chǎn)生的高次諧波電流流向同步發(fā)電機(jī)，在同步發(fā)電機(jī)的制動(dòng)繞組和勵(lì)磁繞組引起感應(yīng)電流，根據(jù)其大小，發(fā)熱產(chǎn)生的損耗增加(輸出功率降低)，可能導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱、壽命縮短等。假設(shè)諧波電流產(chǎn)生的損耗與逆相電流產(chǎn)生的損耗相等，設(shè)法使諧波產(chǎn)生的等效逆相電流在柴油機(jī)傳動(dòng)同步發(fā)電機(jī)中規(guī)定的逆相容許電流值(額定電流的15豫)以下，同步發(fā)電機(jī)的諧波影響可以減輕，等效逆相電流I2可由式(1)求出。
當(dāng)同步發(fā)電機(jī)諧波電流產(chǎn)生的損耗較大，超過(guò)阻尼繞組的容許值時(shí)，必須選擇數(shù)個(gè)大等級(jí)容量的或選用反相耐量大的發(fā)電機(jī)。另外，在變頻器的輸入側(cè)接入改善功率因數(shù)用的電抗器、減少高次諧波電流也是有效的。在變頻器輸入側(cè)接入改善功率因數(shù)用電抗器，雖不能一概而論，但大體可以考慮發(fā)電機(jī)的容量為變頻器容量2 倍以上;如不接入改善功率因數(shù)用電抗器，有時(shí)需要3倍以上的發(fā)電機(jī)容量。
保護(hù)繼電器繼電器的種類(lèi)非常多，充分掌握諧波的影響是困難的，但可以考慮由過(guò)電壓及熱損壞產(chǎn)生的絕緣損壞，振動(dòng)引起的機(jī)械破壞等方面，在實(shí)用上幾乎沒(méi)有問(wèn)題，但是如果電壓電流的有效值大幅度超過(guò)額定值，偶爾會(huì)發(fā)生線圈的過(guò)熱燒損現(xiàn)象。
1.關(guān)于誤動(dòng)作對(duì)于圓盤(pán)感應(yīng)式的過(guò)電流及過(guò)電壓繼電器，其誤動(dòng)作的可能性小。對(duì)于靜止式的，有的以有效值為基準(zhǔn)而動(dòng)作，此時(shí)如果含有高次諧波，在接近額定值處也會(huì)有誤動(dòng)作的可能。
2.關(guān)于動(dòng)作特性對(duì)于圓盤(pán)感應(yīng)式的保護(hù)繼電器，如果含有諧波則動(dòng)作值和動(dòng)作時(shí)間有增大增長(zhǎng)的傾向，但在實(shí)用上多沒(méi)有問(wèn)題。指示電氣儀表指示電氣儀表的動(dòng)作原理大體可分為有效值響應(yīng)式和平均值響應(yīng)式。
有效值響應(yīng)式基本上不受高次諧波的影響，根據(jù)磁通的非線性(它與使用的鐵芯材料和磁回路設(shè)計(jì)參數(shù)相關(guān))，有時(shí)對(duì)精度有些影響。平均值響應(yīng)式在其動(dòng)作原理上由于所含奇次諧波的波形有效值與平均值的差將影響此種原理的儀表。
防止變頻器輸入側(cè)諧波干擾的對(duì)策
為了將諧波產(chǎn)生的種種干擾防患于未然，應(yīng)該在發(fā)生源(變頻器)側(cè)抵制高次諧波。首先主電路可選擇采用多脈沖數(shù)整流、多電平輸出形式，諧波少對(duì)電網(wǎng)的污染也小，如表1 所列。從表中看出主電路整流脈波數(shù)多三電平輸出可達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的要求。還可采用動(dòng)態(tài)消除諧波的方法，當(dāng)然成本就會(huì)增加，但要比較權(quán)衡。
但是，以現(xiàn)有的兩大技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件要將產(chǎn)生的高次諧波全部消除是困難的。當(dāng)前必須把高次諧波發(fā)生側(cè)和受到高次諧波干擾的裝置側(cè)協(xié)調(diào)起來(lái)，作為系統(tǒng)的整體實(shí)施，這在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上是最有效的對(duì)策。
1.在變頻器輸入側(cè)的對(duì)策
防止變頻器輸入側(cè)諧波干擾的措施，通常有在變頻器輸入側(cè)設(shè)置交流電抗器、交流濾波器及采用整流器多重化等方法，這些對(duì)策的使用方法及特點(diǎn)可參考相關(guān)文獻(xiàn)，在此不再贅述。
2.被干擾設(shè)備的對(duì)策
設(shè)備對(duì)諧波容計(jì)值數(shù)據(jù)如下：
電動(dòng)機(jī)在電壓畸變?yōu)?0豫耀20豫以下時(shí)無(wú)大問(wèn)題；
電子開(kāi)關(guān)電壓畸變超過(guò)10豫誤動(dòng)作；
儀表在電壓畸變10豫，電流畸變10豫時(shí)，誤差在1豫以下；
計(jì)算機(jī)電壓畸變超過(guò)5豫產(chǎn)生干擾。
上述設(shè)備發(fā)生問(wèn)題時(shí)，必須將電源系統(tǒng)分離，以免受高次諧波的影響或者在輸入側(cè)裝設(shè)抑制諧波流入的裝置。
3 變頻器輸出側(cè)諧波干擾
變頻器輸出側(cè)的諧波干擾途徑分傳導(dǎo)和輻射，在傳導(dǎo)的過(guò)程中，與變頻器輸出線平行敷設(shè)的導(dǎo)線又會(huì)產(chǎn)生電磁耦合形成感應(yīng)干擾;變頻器輸出側(cè)諧波輻射對(duì)附近的無(wú)線電設(shè)備產(chǎn)生干擾。
3.1 諧波干擾的危害
1)變壓器電流諧波將增加銅損，電壓諧波將增加鐵損，綜合結(jié)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的共振，及引起鐵芯磁通飽和或歪斜，而產(chǎn)生噪聲。損失隨頻率之增大而增加，故諧波的高頻帶成分比低頻成分對(duì)增加變壓器的溫升快，是比較重要的因素。
2)電動(dòng)機(jī)輸出諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響主要是引起電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的額外溫升，電機(jī)往往要降額使用，由于輸出波形失真，增加電動(dòng)機(jī)的重復(fù)峰值電壓，影響電動(dòng)機(jī)的絕緣，諧波還會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，以及噪聲增加。
3)電力電容器組一般電容器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，規(guī)定其最大電流只容許35%的超載，但實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于諧波的影響，以致常發(fā)生嚴(yán)重過(guò)載。由于電容器的阻抗伴隨頻率的增加而減少，故當(dāng)諧波產(chǎn)生時(shí)，電容器即成為一陷流點(diǎn)，流入大量電流，因而導(dǎo)致過(guò)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(guò)電流及產(chǎn)生噪聲。
4)開(kāi)關(guān)設(shè)備由于諧波電流的存在，開(kāi)關(guān)設(shè)備在起動(dòng)瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率，致使暫態(tài)恢復(fù)電壓的峰值增加，以致破壞絕緣。開(kāi)關(guān)設(shè)備一旦出了問(wèn)題，消弧線圈將無(wú)法正常將電弧引入消弧室內(nèi)，從而使開(kāi)關(guān)設(shè)備無(wú)法正常斷開(kāi)電路。所以當(dāng)諧波過(guò)大時(shí)，常會(huì)引起一些無(wú)熔線開(kāi)關(guān)跳脫，產(chǎn)生誤動(dòng)作，也很容易使一些開(kāi)關(guān)里的電力熔絲(保險(xiǎn)絲)熔斷。
5)保護(hù)電器電流中含有諧波，必產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩，改變電器的動(dòng)作特性，以致引起誤動(dòng)作。
例如接地故障電器無(wú)法分辨零序電流或三次諧波電流，假若三次諧波電流太大，必會(huì)引起誤動(dòng)作，零序保護(hù)跳閘;而且諧波會(huì)將快速及低加速的電器改變成慢速及高加速的電器;對(duì)一般電器都會(huì)稍許改變其操作特性;又依諧波成分的不同，電器的動(dòng)作轉(zhuǎn)矩可能會(huì)倒反;或大諧波電流通過(guò)電器線圈，常會(huì)因過(guò)熱而損壞。一般而言，諧波應(yīng)限制在10豫以下，才不致影響保護(hù)電器的正常工作。
6)計(jì)量?jī)x表瓦時(shí)計(jì)(電能表)等計(jì)量?jī)x表，因諧波而會(huì)造成感應(yīng)轉(zhuǎn)盤(pán)產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩，使誤差增大，降低精確度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得知，若有20豫的5 次諧波成分，將產(chǎn)生10豫耀15豫的誤差。過(guò)大的諧波電流，也很容易將儀器里的線圈損壞。
7)電力電子設(shè)備在多種場(chǎng)合，電子設(shè)備常會(huì)產(chǎn)生諧波的電流源，且很容易感受諧波失真而誤動(dòng)作。這種設(shè)備常靠著準(zhǔn)確的電壓零交叉原理或電壓波形的形態(tài)來(lái)進(jìn)行控制或操作。若電壓有諧波成分時(shí)，零交叉點(diǎn)移動(dòng)、波形改變，以致造成許多誤動(dòng)作。例如不斷電系統(tǒng)的同步裝置，將因取不到正確的零交叉點(diǎn)，而影響到整個(gè)系統(tǒng)的操作。
8)照明設(shè)備諧波對(duì)白熾燈而言，會(huì)影響其壽命，當(dāng)諧波增加時(shí)，將使燈泡壽命縮短。至于熒光燈或水銀燈的起輝器，有時(shí)裝有電容，此電容器與起輝器及線路的電抗，可能對(duì)某一頻率的諧波形成共振電路，這將產(chǎn)生額外的熱損，甚至?xí)p壞該燈具。
9)通信設(shè)備輸電線中，若含有諧波，則將產(chǎn)生額外的磁場(chǎng)及電場(chǎng)，以致干擾通信線路。
10)電視及音響設(shè)備諧波會(huì)使各種電子設(shè)備發(fā)生雜訊、影像錯(cuò)亂或閃爍，會(huì)使電晶體及電容器等零件劣化而發(fā)生故障，對(duì)其性能和壽命都有不良的影響。
11)電腦設(shè)備會(huì)因電源電壓波形的失真，而引起誤動(dòng)作。
3.2 防止變頻器輸出諧波的措施
防止變頻器輸出側(cè)諧波干擾的對(duì)策，大致可分為兩類(lèi)，第一屬于傳統(tǒng)方式，即從降低雜訊入手，如采用高于人耳不能聽(tīng)到的開(kāi)關(guān)頻率高的電力電子器件，如MOSFET，IGBT 等;在變頻器輸出端后加裝濾波器使送至電力設(shè)備前的電源波形為正弦波;改善PWM 調(diào)制方法，降低諧波含量;用閉環(huán)控制的方法，如ADSM 及DSMC，來(lái)改善一般傳統(tǒng)PWM 的諧波現(xiàn)象。第二類(lèi)屬于新嘗試，其基本的觀念及作法是企圖將無(wú)意義的雜訊轉(zhuǎn)變可選擇的資訊，如果將聲音依著不定期的資訊內(nèi)容而變化，聲音就不僅僅只是普通聲音，它可以傳送某些資訊，如音樂(lè)或警示。主要采取的措施有：電壓變極諧波消除法;減少PWM控制諧波的低頻部分;采用空間電壓矢量改善PWM控制的輸出波形;采用多電平變頻器可以使輸出諧波電流約1豫。
3.3 防止干擾的對(duì)策
為了防止干擾，采用圖圓所示的方案。變頻器本身用鐵殼屏蔽，輸出線用鋼管屏蔽，并與其它弱電信號(hào)分別配線，附近的其它靈敏電子設(shè)備線路也要屏蔽;為了減少電磁噪聲，可以配置輸出濾波器;為了減少對(duì)電源的污染，可配置輸入濾波器或零序電感，還可與晶閘管整流裝置，功率因數(shù)補(bǔ)償器并聯(lián)使用。電源變壓器容量大于10倍變頻器容量，或電源電壓不平衡率超過(guò)3豫時(shí)需接電源匹配用電感器，采用電感后對(duì)電源改善效果良好，小容量變頻器安裝有匹配電感時(shí)使功率因數(shù)有提高，大容量時(shí)雖對(duì)功率因數(shù)無(wú)提高，但可改善變頻器運(yùn)行，同時(shí)起到濾波作用。
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