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变频器对电能质量的影响及治理
2017-11-24 16:06:16  作者:郑会明  来源:中国设计师网  
  •   由于低压变频器的大量使用,其对电能质量的危害已不可忽视。本文通变频器对电网干扰的分析,提出一些治理、改善措施。

  中化重庆涪陵化工 郑会明

  1 引言

  在上世纪80年代后期,随着电子(微电脑)、信息、智能技术的不断提高,特别是PWM--脉宽调制技术的诞生,变频技术更是得到了突飞猛进的发展。采用PWM技术的变频器,由于其具备卓越的调速性能、完备的保护功能及超凡的节能效果,在全球范围内,作为高科技产品的变频器inverter得到了非常广泛的应用,给全世界人们的生产和生活带来了极大的便利;可以说,变频器已经时时、刻刻、处处不断地影响、提高、改善着我们的生产和生活。

  但是,变频器在应用中存在着非常严重的干扰问题,对电能质量的影响更是与日俱增。市场上的厂家、经销商或产品样本、说明书等资料出于商业目的,过度夸大其产品的功能、买点,而忽视其产品的瑕疵、不足,特别是对电能质量的危害,表述不是那么严谨,未将输入/输出电抗器纳入标配,从而在有意无意间将变频器的应用引入一种歧途、盲从。本文就变频器在运行中对电能质量的影响及谐波治理作一些探讨。

  2 事故举例

  本世纪初,中化涪陵化工与四川大学合作,联合研发了一个化工项目--精制湿发磷酸(简称PPA。分化肥级、饲料级、食品级磷酸盐,效果好,获国家奖励),现已形成完整的工艺包,并先后向国内多家企业转让。我司承建了首套装置,其配电规模为:2台主变1250KVA,41面低压柜,其中无功补偿柜4面,4*160kvar,使用3~90kw变频器50余台,见下图1。

  受当初经济环境影响,为节约投资,电气专业在设计时,变频器均未配置输入、输出电抗器,无功补偿柜也未设置限流电抗器。见下图2。

  装置建成试运行后,配电系统发生多次故障:变频器时常报过流、放炮、甚至烧坏IGBT模块;无功补偿电容鼓泡、失效;电子仪表失灵、烧坏;个别电机发热、振动、噪声等等。经采取一系列措施--咨询厂商、查询资料、现场测试,最终认定是变频器高次谐波污染所致;配置合适电抗器后,故障得到有效遏制,配电系统、设备等得以正常运行。

  在后续装置建设中,总结了经验,配电系统采取了上述措施,使整体工艺包更加趋于完善。

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  3 高次谐波对电网的危害(电源质量的污染)

  变频器影响电能质量,究其原因分析如下:

  由于目前通用的变频器几乎都采用PWM控制技术,其输入、输出电流,输出电压波形都是(矩形方波)等效正弦波,而不是标准的正弦波,见下图3。

  (1)按傅氏级数分解,除基波外其中还含有很多高次谐波成分,它们会以电磁辐射、线路传导等方式把干扰源传送到电网上,对周围的电子设备、元件的工作造成严重干扰;

  (2)在电源侧产生高次谐波电流,并造成电压波形畸变,对电源系统产生严重影响;

  (3)高次谐波电流还使并联在母线上的无功补偿电容电流增加,并会进一步放大谐波电流(电容对高次谐波短路),造成其严重发热,甚至烧坏补偿电容;

  (4)在轻载时,电网侧电流产生尖峰脉冲,电流畸变较大,造成对电网的谐波污染加大,网侧的功率因数降低;

  (5)变频器作为干扰源,对同一母线上的其它变频器造成相互严重影响,谐波将通过辐射或电源线传导方式侵入变频器的内部,引起控制系统误动作,造成变频器工作不正常或停机,严重时甚至损坏变频器。

  4 PWM调制波形成的尖峰电压对电机的影响

  (1)在变频器的输出电压中,含有高频尖峰电压。这些高次谐波冲击电压将会降低电动机绕组的绝缘强度;

  (2)大量高次谐波,使输出到电机的电流畸变较大,增加电机的铁损和铜损,使电机发热;

  (3)振动、噪声。矩形波产生的脉动转矩将引起电机的共振,特别是当脉动转矩在机械系统共振点附近时更为严重;脉动电流产生的电磁场也会在电动机内部产生电磁噪声。

  5 谐波治理

  通过上述分析,要治理变频器谐波对电网及设备的危害就变得相对简单(非彻底根治)。

  (1)在较大变频器(11KW)的输入侧配置电抗器。其作用是:抑制5次、7次及11、13次谐波、削弱浪涌电流、提高功率因数;(动补效果会更好,因技术和价格的原因,目前在国内推广缓慢。)

  (2)在较大变频器(15KW)的输出侧配置输出电抗器。其作用是:抑制变频器电磁幅射干扰、抑制电动机电压谐振。同时可允许延长至电机配线长度;

  (3)在无功功率补偿装置前安装限流电抗器。抑制5次、7次谐波电流;

  (4)控制线路采用屏蔽电缆,控制线路与主回路动力线路隔离敷设,并注重接地。

  采取上述措施后,谐波将得到有效治理,电能质量得以改善。

  6 结论

  (1)变频器作为高科技产品,不但具有良好的调压、调频、稳压、调速等基本功能,而且具有保护、节能、无功补偿等特殊功能。从理论上讲,变频器可以应用在所有带有交流电动机的机械设备中。随着科技的进步、技术的发展,变频器一定会得到更加广泛、合理的应用;

  (2)PWM技术输出的矩形脉冲,其高次谐波会使电源波形畸变,影响电网质量。因此,在变频器用量较多、或者功率较大的场合,其输入、输出侧、无功补偿侧应安装合适的电抗器;

  (3)合理应用变频器。基于污染及节能条件,调速不频繁、范围不宽、长期处于满负荷附件运行的设备,不要盲目使用变频器,应限制其用量,以减少干扰源。

  参考文献

  [1] 施耐德ATV产品样本.

  [2] 上海雷诺尔变频器产品样本.

  [3] “变频器基础控制与应用大全”www.gongkong365.com.

  [4] “工控世界论坛”.www.PLCWORLD.CN.

  作者简介

  郑会明,中化重庆涪陵化工有限公司副主任工程师,电仪车间主任,国家注册高级电气管理工程师。主要从事新建工程电气专业设计、现场施工管理、装置竣工验收以及传统装置节能改造。

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