簡論變頻器廣泛應用對電力系統(tǒng)的影響

1 引言

變頻器主要用于交流電動機轉速的調節(jié)，是理想的調速方案，隨著中國經濟的整體快速發(fā)展，市場對產品的要求逐步提高，變頻調速以其自身所具有的調速范圍廣、調速精度高、動態(tài)響應好等優(yōu)點，在許多需要精確速度控制的應用中發(fā)揮著提高產品質量和生產效率的作用。其除了具有優(yōu)良的調速性能之外，還有顯著的節(jié)能效果，不僅在相關工業(yè)行業(yè)，變頻家電在節(jié)約電費、提高家電性能、保護環(huán)境等方面的優(yōu)勢也得到了用戶的普遍認可和廣泛應用。

然而變頻器在節(jié)能、改善人類生活環(huán)境、提高產品質量以及提高工業(yè)自動化程度方面做出巨大貢獻的同時也將產生一些負面效應。

2 變頻器產生諧波

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。交交變頻器結構簡圖如圖1所示，其只能降低頻率，同時輸出電壓波形中含有較大的諧波，輸入電流諧波嚴重且功率因數(shù)低，在很多應用領域，這些都是不能接受的技術缺陷，往往采用具有中間直流環(huán)節(jié)的交直交變頻器。

交直交變頻器結構簡圖如圖2所示，由于交直交變頻器中含有整流電路，可控硅元件的導通與關斷同樣會因其非線性產生諧波，從設備流出的諧波因變流器回路的種類及其運轉狀態(tài)、系統(tǒng)條件等不同產生不同的影響。

2.1 諧波的產生

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稱的矩形波，經傅立葉級數(shù)分解為基波和6n+1次特征諧波(n=l，2，3，)，但實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。具體輸入側電流各次諧波的實測值見圖3，可見主要是5次、7次、11次、13次等特征諧波，同時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脈寬調制的性質所定的;電流波形和載波頻率比有關，載波頻率比越高，越接近正弦波，波形中會含有和載波頻率相關的高次諧波，高次諧波電流對負載直接干擾，還會通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設備。

隨著變頻器在各行各業(yè)的應用面擴大，單機容量的加大和使用變頻器的總容量的增大，因此諧波污染電源及對周圍其他設備的影響就日益嚴重，甚至造成其他電子設備不能正常工作。特別是供電線路上通常連接電力電容器，很容易產生并聯(lián)諧振，使整流器和其它電器設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。

2.2 變頻器周圍電氣設備受諧波的影響

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、變壓器、電動機等負載，變頻器產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)負載。下面敘述高次諧波電流對各電器設備的影響。

(1) 電力電容器

根據(jù)IEC標準規(guī)定一般電容器最大電流只允許35%的超載。實際運轉時由于諧波的影響常發(fā)生嚴重過載。電容器阻抗隨頻率的增加而減少，故產生諧波時，電容器即成為一陷流點流人大量電流，導致過熱、增加介電質的應力，甚至損壞電力電容器。當電容器與線路阻抗達到共振條件時，會發(fā)生振動短路、過電流及產生噪聲。

(2) 同步發(fā)電機

變頻器產生的高次諧波電流在同步發(fā)電機的激磁繞組中會產生感應電流，引起損耗增加，可能導致電機過熱、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生噪聲。

(4) 電動機

諧波會引起電動機附加發(fā)熱，導致電動機額外溫升，電動機往往要降額使用。如果輸入電動機的波形失真，會增加其重復峰值電壓，影響電動機的絕緣。

(5) 電力電子設備

電力電子設備在多種場合是產生諧波的諧波源，但他自身也很容易感受諧波失真而誤動作。這種設備靠著電壓的過零點或電壓波形來控制或操作，若電壓有諧波成分時，零點移動、波形改變，造成許多誤動作。

(6) 保護繼電器

由于高次諧波的影響，可能引起繼電器過電壓、產生絕緣損壞、振動引起的機械破壞等等。對于以有效值為基準而動作的繼電器，高次諧波的存在使得繼電器在接近額定值處也有誤動作的可能。

(7) 指示電氣儀表

電能表等計量儀表會因諧波而造成感應轉盤產生額外的電磁轉矩，引起誤差，降低精確度。20%的5次諧波將產生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

對小容量的通用變頻器，高次諧波很少成為問題，但當使用的變頻器容量大或數(shù)量多時，往往就會產生高次諧波電流和高次諧波干擾問題，因此對于高次諧波先采取適當?shù)膶Σ吆皖A防措施是非常重要的。

2.3.1 改善變頻器結構

可以從變頻器自身硬件結構或者整個變頻系統(tǒng)的構建方式和設備選擇等方面考慮，從根本上減少變頻系統(tǒng)注入電網的諧波、無功等污染。

(1) 變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設備的供電電源相互獨立，或在變頻器和其他用電設備的輸入側安裝隔離變壓器;

(2) 在整流環(huán)節(jié)采用多重化技術，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的高次諧波;