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變頻電源的諧波危害及解決措施

來(lái)源:北極星智能電網(wǎng)在線(xiàn)
關(guān)鍵詞: 諧波 變頻電源 無(wú)功補償
一、變頻電源應用中的問(wèn)題

在工業(yè)調速傳動(dòng)領(lǐng)域中,與傳統的機械調速相比,用變頻電源調速有諸多優(yōu)點(diǎn),應用非常廣泛,但由于變頻電源逆變電路的開(kāi)關(guān)特性,對其供電電源形成了一個(gè)典型的非線(xiàn)性負載,變頻電源在現場(chǎng)通常與其它設備同時(shí)運行,例如計算機和傳感器,這些設備常常安裝得很近,這樣可能會(huì )造成相互影響。因此,以變頻電源為代表的電力電子裝置是公用電網(wǎng)中*主要的諧波源之一,其對電力系統中電能質(zhì)量有著(zhù)重要的影響。供電系統諧波的定義是對周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級數分解,除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量,還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量,這部分電量稱(chēng)為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1) 稱(chēng)為諧波次數。電網(wǎng)中有時(shí)也存在非整數倍諧波,稱(chēng)為非諧波(Non-harmonics)或分數諧波。諧波實(shí)際上是一種 干擾量,使電網(wǎng)受到“污染”,電能質(zhì)量下降。電工技術(shù)領(lǐng)域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測量、危害及抑制,其頻率范圍一般 為2≤n≤40。

二、諧波的產(chǎn)生過(guò)程

向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波電壓的電氣設備稱(chēng)為諧波源。具有非線(xiàn)性特性的電氣設備是主要的諧波源,例如帶有功率電子器件的變流設備,交流控制器和電弧爐、感應爐、熒光燈、變壓器等。

諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線(xiàn)性負載所致。當電流流經(jīng)負載時(shí),與所加的電壓不呈線(xiàn)性關(guān)系,就形成非正弦電流,從而產(chǎn)生諧波。

諧波頻率是基波頻率的整倍數,根據法國數學(xué)家傅立葉(M.Fourier)分析原理證明,任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波,每個(gè)諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以區分為偶次與奇次諧波。在平衡的三相系統中,由于對稱(chēng)關(guān)系,偶次諧波已經(jīng)被消除了,只有奇次諧波存在,奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。我國工業(yè)企業(yè)也越來(lái)越多的使用產(chǎn)生諧波的電氣設備,例如晶閘管電路供電的直流提升機、交-交變頻裝置、軋鋼機直流傳動(dòng)裝置、晶閘管串級調速的風(fēng)機水泵和冶煉電弧爐等。這些設備取用的電流是非正弦形的,其諧波分量使系統正弦電壓產(chǎn)生畸變。諧波電流的量取決于諧波源設備本身的特性及其工作狀況,而與電網(wǎng)參數無(wú)關(guān),故可視為恒流源。 各種晶閘管電路產(chǎn)生的諧波次數與其電路形式有關(guān),稱(chēng)為該電路的特征諧波。除特征諧波外,在三相電壓不平衡,觸發(fā)脈沖不對稱(chēng)或非穩定工作狀態(tài)下,上述電路還會(huì )產(chǎn)生非特征諧波。進(jìn)行諧波分析和計算*有意義的是特征諧波,如果5,7,11,13次等。如直流側電流波紋較大,則5次諧波幅值將增大,其余各次諧波幅值將減少。 當電網(wǎng)接有多個(gè)諧波源時(shí),由于各諧波源的同次諧波電流分量的相位不同,其和將小于各分量的算術(shù)和。 變壓器激磁電流中含有3,5,7等各次諧波分量。由于變壓器的原副邊繞組中總有一組為角形接法,為3次諧波提供了通路,故3次諧波電流不流入電網(wǎng)。但當各相激磁電流不平衡時(shí),可使3次諧波的殘余分量(*多可達20%)進(jìn)入電網(wǎng)。

三、諧波危害

對于電力系統來(lái)說(shuō),電力諧波的危害主要表現有以下幾方面:

(1)增加輸、供和用電設備的額外附加損耗,使設備的溫度過(guò)熱,降低設備的利用率和經(jīng)濟效益:

(2)電力諧波對輸電線(xiàn)路的影響:

諧波電流使輸電線(xiàn)路的電能損耗增加。當注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡(luò )諧振點(diǎn)附近的諧振區內時(shí),對輸電線(xiàn)路和電力電纜線(xiàn)路會(huì )造成絕緣擊穿。

(3)電力諧波對變壓器的影響:

諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場(chǎng)強度,諧波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱(chēng)性負荷的變壓器而言,會(huì )大大增加勵磁電流的諧波分量。
(4) 電力諧波對電力電容器的影響:

含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時(shí),由于電容器對電力諧波阻抗很小,諧波電流疊加在電容器的基波上,使電容器電流變大,溫度升高,壽命縮短,引起電容器過(guò)負荷甚至爆炸,同時(shí)諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波諧振,使故障加劇。

(5)影響繼電保護和自動(dòng)裝置的工作可靠性:

特別對于電磁式繼電器來(lái)說(shuō),電力諧波常會(huì )引起繼電保護及自動(dòng)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng),使其動(dòng)作失去選擇性,可靠性降低,容易造成系統事故,嚴重威脅電力系統的安全運行。

(6)對通訊系統工作產(chǎn)生干擾:

電力線(xiàn)路上流過(guò)的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過(guò)磁場(chǎng)耦合時(shí),會(huì )在鄰近電力線(xiàn)的通信線(xiàn)路中產(chǎn)生干擾電壓,干擾通信系統的工作,影響通信線(xiàn)路通話(huà)的清晰度,甚至在極端的情況下,還會(huì )威脅著(zhù)通信設備和人員的安全。

(7)對用電設備的影響:

電力諧波會(huì )使電視機、計算機的圖形畸變,畫(huà)面亮度發(fā)生波動(dòng)變化,并使機內的元件溫度出現過(guò)熱,使計算機及數據處理系統出現錯誤,嚴重甚至損害機器。

此外,電力諧波還會(huì )對測量和計量?jì)x器的指示不準確及整流裝置等產(chǎn)生不良影響,它已經(jīng)成為當前電力系統中影響電能質(zhì)量的大公害。

四、諧波治理

治理諧波問(wèn)題,抑制輻射干擾和供電系統干擾,可采取屏蔽、隔離、接地及濾波等技術(shù)手段。治理諧波的主要措施有:加大系統短路容量;提高供電電壓等級;增加變流裝置的脈動(dòng)數;改善系統的運行方式,設置交流濾波器等都能減小系統中的諧波成分。交流濾波器又分為無(wú)源濾波器和有源濾波器兩種。有源濾波器是一種向系統注入補償諧波電流,以抵消非線(xiàn)性負荷所產(chǎn)生的諧波電流的能動(dòng)式濾波裝置。它能對變化的諧波進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補償,且補償特性不受系統阻抗影響。其結構相對復雜,運行損耗較大,設備造價(jià)高;在補償諧波的同時(shí),也會(huì )注入新的諧波。無(wú)源濾波器(又稱(chēng)LC濾波器)是利用LC諧振原理,人為地造成一條串聯(lián)諧振支路,為欲濾除的主要諧波提供阻抗極低的通道,使之不注入電網(wǎng)。LC濾波器結構簡(jiǎn)單,吸收諧波效果明顯;但僅對固有頻率的諧波有較好的補償效果;且補償特性受電網(wǎng)阻抗的影響很大,在特定頻率下,電網(wǎng)阻抗和LC濾波器之間可能會(huì )發(fā)生并聯(lián)諧振或者串聯(lián)諧振。

五、綜述

無(wú)功功率補償, 諧波治理技術(shù)是當前乃至今后相當長(cháng)的時(shí)期內, 緩解電力供需矛盾, 改善供電質(zhì)量的一種行之有效的手段之一, 經(jīng)廣泛推廣應用后, 能為國家和用戶(hù)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效益和良好的社會(huì )效益。將變頻電源產(chǎn)生的諧波控制在*小范圍內,達到科學(xué)合理用電,抑制電網(wǎng)污染,提高電源質(zhì)量。

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