變頻器是現(xiàn)代工業(yè)中廣泛應用的設備。由于用變頻器控制風機和水泵能夠顯著節(jié)省電能,因此應用日益廣泛。但是,變頻器工作時產(chǎn)生嚴重的諧波電流,這已經(jīng)成為電網(wǎng)的主要污染源。
變頻器諧波帶來的zui常見的故障現(xiàn)象是,無功補償裝置損壞,跳閘,變壓器過熱,同一個電網(wǎng)上的其他電子設備受干擾,等等。
主要是低壓變頻器工作時產(chǎn)生嚴重的諧波電流,中高壓變頻器一般適用12脈或18脈整流電路,產(chǎn)生的諧波電流很小。
低壓變頻器之所以產(chǎn)生諧波電流,是因為變頻器的輸入端是整流電路。整流電路是zui典型的諧波源。一般低壓變頻器的輸入端是三相六脈整流電路,變頻器的電流波形如圖1(a)所示,諧波電流的頻譜如圖1(b)所示,主要成份是:5、7、11、13、17、19等(6N1的規(guī)律)??傊C波電流畸變率THID與變頻器的品牌、變頻器的功率、電網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗、變頻器的負載等因素有關(guān)。
圖1變頻器的輸入電流波形和頻譜
變頻器的諧波電流發(fā)射與變頻器的品牌有關(guān),主要是因為不同品牌的變頻器中所使用的濾波電路的不同,這包括,是否內(nèi)嵌了直流電抗器或交流電抗器、濾波電容的容量大小等。
通常,變頻器的額定功率越小,產(chǎn)生的諧波電流發(fā)射越嚴重,表1是不同功率的變頻器產(chǎn)生的諧波電流發(fā)射。需要注意的是,這里講的諧波電流發(fā)射嚴重是指諧波電流畸變率THID更大,并不是諧波電流的值更大。了解這個特點很重要,這意味著,大量的小功率變頻器同時工作時,他們產(chǎn)生的諧波電流要比同樣功率的一臺大功率變頻器產(chǎn)生的諧波更嚴重。例如,10臺11kW的變頻器工作時向電網(wǎng)注入的諧波電流要大于一臺110kW變頻器工作時向電網(wǎng)注入的諧波電流,盡管他們的總功率相同。
表1不同功率的變頻器的諧波電流發(fā)射
變頻器的功率THID
1~20HP>
25~40HP80~
50~150HP60~80%
200HP以上50~70%
變頻器的諧波電流發(fā)射還與變頻器的負載有關(guān),負載越輕,THID越大。這提示我們不要用功率余量過大的變頻器。例如,如果用22kW的變頻器驅(qū)動11kW電機的電機時,要比用11kW的變頻器驅(qū)動產(chǎn)生更大的諧波電流發(fā)射。請讀者思考其中的道理,這對于加深理解諧波電流產(chǎn)生的機理十分有益。
同一臺變頻器所產(chǎn)生的諧波電流發(fā)射與電網(wǎng)的阻抗有關(guān),電網(wǎng)的阻抗越低(電源越強,或者電源的短路電流越大),諧波電流畸變率THID越大,典型的數(shù)值如表2所示。表中,電網(wǎng)的阻抗用額定電流時的電壓降來表示,1%表示在額定電流下,電網(wǎng)上的電壓降為額定電壓的1%。但是,需要注意的是,電網(wǎng)的阻抗較高,變頻器的諧波電流較小,決不意味著諧波電流的危害更小。因為,當電網(wǎng)的阻抗較高時,會導致更大的諧波電壓。而諧波電壓是導致其他設備工作異常的主要原因。
表2變頻器在不同電網(wǎng)阻抗條件下的諧波電流發(fā)射
人們?yōu)榱藴p小變頻器的諧波電流發(fā)射,通常在變頻器的電源輸入端安裝電抗器。這就是根據(jù)表2的原理。輸入電抗器的電感量也用電抗率表示,1%表示電抗器上的電壓降為額定電壓的1%。電抗率越大,電抗器減小諧波電流的效果越明顯。通常,電抗率不能大于5%,否則會影響變頻器的正常工作。
通常,使用電抗器很難將諧波電流畸變率減小到30%以下。要獲得理想的諧波電流控制效果,要在變頻器的電源輸入端安裝的諧波濾波器。
需要注意的是,傳統(tǒng)的陷波器型諧波濾波器不適用于變頻器的諧波電流控制。主要是因為,這種濾波器會發(fā)出過大的容性無功功率,并且會吸收上游諧波電流。解決變頻器諧波電流的設備是HTHF通用諧波濾波器,這種濾波器專門為變頻器類的負載開發(fā),可以保證諧波電流畸變率THID<8%。有源濾波器雖然也有很好的濾波效果,但是其本身比變頻器還要復雜,不適合于為單臺變頻器配套使用。