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電能質(zhì)量
專家診治

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變頻器的諧波治理與無(wú)功功率補(bǔ)償

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專家講堂1

  1.變頻器供電系統(tǒng)的諧波治理與無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)囊饬x
  隨著變頻器的廣泛應(yīng)用，變頻器供電系統(tǒng)的諧波治理與無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)囊饬x逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。變頻器供電電源按傅立葉級(jí)數(shù)可以分解為基波有功電流，基波無(wú)功電流，諧波和間諧波電流。
  基波無(wú)功電流占用電網(wǎng)容量；導(dǎo)致網(wǎng)壓波動(dòng)；在供配電設(shè)施產(chǎn)生熱損耗；降低了供配電設(shè)施運(yùn)行可靠性。諧波和間諧波的集膚效應(yīng)使輸電線等效截面積變小，線路損耗增加；鐵芯中附加高頻渦流損耗；諧波和間諧波電流導(dǎo)致網(wǎng)壓波形畸變和輻射干擾，引起同一電網(wǎng)下其它負(fù)載出力減小，損耗增加，甚至誤動(dòng)作。
  變頻器用量較大的車間，用電容器直接進(jìn)行無(wú)功力率補(bǔ)償雖然可以大副度降低基波無(wú)功電流，但是必然出現(xiàn)諧波放大現(xiàn)象。這時(shí)，供電電流和電容器電流中諧波和間諧波電流大副度增加，電容器由于超溫和過(guò)壓而損壞，供電變壓器溫升加大。為避免諧波電流大副度增加，諧波治理與無(wú)功功率補(bǔ)償必須同時(shí)進(jìn)行。
  從基波無(wú)功電流，諧波和間諧波電流的危害上可看出：采用就地諧波治理與無(wú)功功率補(bǔ)償可以獲得主要的效益。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，采用就地諧波治理與無(wú)功功率補(bǔ)嘗，一年或一年半時(shí)間即可從節(jié)能中回收全部投資。

  2.變頻器供電系統(tǒng)的諧波治于是與無(wú)功功率補(bǔ)償方法
根據(jù)變頻器分類，變頻器供電系統(tǒng)的就地諧波治理與無(wú)功功率補(bǔ)償裝置分為：含各次濾波器的TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置、6%電抗的TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置、固定投入各次濾波器的裝置、有源電力濾波器。
  2.1 交-直-交電流型變頻器
  電網(wǎng)通過(guò)可控硅三相全控橋給變頻器供電，功率因數(shù)角約等于控制角a。供電電流包含6±1次諧波(K=1、2、3…)，并且在直流電流無(wú)脈動(dòng)的理想情況下，n次諧波電流含量是基波電流的1/n。實(shí)際上，直流電流脈動(dòng)導(dǎo)致五次諧波和七次諧波含量增加，大于七次諧波的高次諧波含量減少。
就地實(shí)現(xiàn)諧波治理和無(wú)功功率補(bǔ)嘗是安裝含各次濾波器的TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。裝置中計(jì)算機(jī)根據(jù)基波無(wú)功功率投入一定數(shù)量的五次、七次、十一次和十三次濾波器。濾波器對(duì)基波呈容性，補(bǔ)償基波無(wú)功功率；濾波器對(duì)諧波呈現(xiàn)很小的電感，濾除各次諧波無(wú)功功率。

  2.2 交-交變頻器
  電網(wǎng)通過(guò)可控硅三相可逆整流橋給變頻器供電，功率因數(shù)很低。從電電流不僅包含6K±1次諧波(K=1、2、3…)，還在諧波附近出現(xiàn)間隔為變頻器輸出頻率的間諧波。用五次、七次、十一次和十三次濾波器可以濾除諧波，但是濾波器器對(duì)一些間諧波呈容性，必然產(chǎn)生間諧波放大現(xiàn)象。
就地實(shí)現(xiàn)諧波、間諧波治理和無(wú)功功率補(bǔ)償是安裝6%電抗的TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。特點(diǎn)是對(duì)五次和五次以上諧波和間諧波都呈感性，沒(méi)有諧波放大現(xiàn)象。對(duì)五次、七次諧波和五次、七次諧波附近的間諧也有一定的濾波效果。
  2.3交-直-交電壓型變頻器
  電網(wǎng)通過(guò)三相二極管整流橋給變頻器供電，功率因數(shù)大于0.97。由于二極管整流橋僅在網(wǎng)壓峰頂開(kāi)通，對(duì)電容器充電，電流波形是導(dǎo)通角較窄的尖鋒。供電電流包含6K±1次諧波(K=1、2、3…),諧波含量隨進(jìn)線電抗和直流濾波電抗的電感量增加而減少。一般來(lái)說(shuō)，加電抗器后五次諧波、七次諧波十一次諧波和十三次諧波仍然占40%、35%、25%和20%。
  對(duì)供電變壓器還有其它感性負(fù)載的場(chǎng)合，可以安裝含各次濾波器的TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置；對(duì)幾乎全是交-直-交電壓型變頻器的車間由于不需要補(bǔ)償基波無(wú)功功率需要濾除諧波無(wú)功功率，應(yīng)安裝固定投入各次濾波器的裝置。為了防止輕載過(guò)補(bǔ)償對(duì)電網(wǎng)電壓的提升，該濾波器應(yīng)該具有提供的基波容性抗器應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮諧波發(fā)熱和過(guò)壓?jiǎn)栴}。

  3.變頻器供電系統(tǒng)的諧波治理與無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)脑砗蛻?yīng)用
  下面就TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置和固定投入的濾波裝置的結(jié)構(gòu)、原理作簡(jiǎn)要介紹。其特點(diǎn)是晶閘管電子開(kāi)關(guān)將濾波器投入、退出電網(wǎng)速率為10mS，無(wú)功補(bǔ)償動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間15mS，各次諧波濾除率80%以上。濾波器為L(zhǎng)-C串聯(lián)濾波器，可以設(shè)計(jì)成五次、七次、十一次、十三次濾波器或6%電抗濾波器。
如果負(fù)載相電流分別為ia、ib和ic，其對(duì)應(yīng)無(wú)功電流分量的有效值是Iaq(t)、Ibq(t)和Icq(t),采用星電容器接法，線間補(bǔ)償電流的有效值分別為Iab(t)、Ibc(t)和Ica(t)。線間應(yīng)投入多少單位電容量nab(t)、nb(t)和nca(t)：
  3.1 從包含諧波的負(fù)載相電流ib和ic中計(jì)算負(fù)載三相無(wú)功電流Iaq(t)、Ibq(t)和Icq(t)。
  3.2 根據(jù)負(fù)載三相無(wú)功電流計(jì)算三相補(bǔ)償電流Iab(t)、Ibc(t)和Ica(t)。
  3.3 根據(jù)三相補(bǔ)償電流和網(wǎng)壓計(jì)算各路應(yīng)投入多少單位電容naq(t)、nbq(t)和ncq(t)。
  為降低輻身干擾，選用鐵芯電抗器。裝置的核心技術(shù)是晶閘管電子開(kāi)關(guān)高速率將濾波器投入、退出電網(wǎng)平滑無(wú)沖擊。裝置內(nèi)計(jì)算機(jī)還對(duì)散熱器溫度、補(bǔ)償電流、電網(wǎng)電壓和接觸器接點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)視，在無(wú)人值守情況下，實(shí)現(xiàn)散熱器超溫、補(bǔ)償電流過(guò)流和過(guò)載、電網(wǎng)電壓氛相和相序錯(cuò)、接觸器等故障的保護(hù)和容錯(cuò)運(yùn)行。裝置運(yùn)行后，不僅使功率因數(shù)大于0.95，而且使諧波電流和網(wǎng)壓畸變率均達(dá)到GB/T14549-93國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
  固定投入的濾波裝置主回路與圖一類似，只不過(guò)晶閘管電子開(kāi)關(guān)換成了接觸器。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按一定次序和時(shí)間間隔投入各次濾波器。為避免諧波放大，為減少投切沖擊和防止補(bǔ)償網(wǎng)壓提升，電容量應(yīng)做得較小，使網(wǎng)壓提升不超過(guò)1。5%。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，諧波電流是基波電流的四、五倍。這對(duì)鐵芯電抗器和諧波濾波器都有較高的設(shè)計(jì)要求。裝置內(nèi)計(jì)算機(jī)對(duì)補(bǔ)償電流過(guò)流和過(guò)載、電網(wǎng)電壓缺相和相序錯(cuò)、接觸器等故障的保護(hù)。濾波裝置投入運(yùn)行后，變壓器輸出電流接近正弦。

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