變頻器輸出頻率與負(fù)載率對(duì)諧波產(chǎn)生的影響

惠南南（浙江油田分公司質(zhì)量安全環(huán)保部）

在如今整個(gè)中國石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能降耗的大背景之下，油田生產(chǎn)中越來越多的應(yīng)用了變頻器設(shè)備，由于其優(yōu)良的節(jié)能調(diào)速特性，已成為節(jié)能降耗的有效措施，主要應(yīng)用于抽油機(jī)、潛油電泵、螺桿泵、機(jī)泵等油田主要生產(chǎn)設(shè)備中。但同時(shí)，變頻器在使用過程中會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)供電系統(tǒng)、負(fù)載等相鄰電氣設(shè)備造成不良影響，甚至引發(fā)安全事故。因此，對(duì)于變頻器產(chǎn)生的諧波需要進(jìn)一步的研究、探討、實(shí)驗(yàn)并加以治理。

1 變頻器諧波的成因與特性

1.1 變頻器諧波產(chǎn)生的原因

在輸入端，電壓主波形為正弦波，而電流波形為非正弦波，這是由非線性二極管組成的三相橋式整流橋的參數(shù)離散引起的[1]。變頻器輸入電壓、電流波形圖如圖1所示。

圖1 變頻器輸入電壓、電流波形圖

在輸出端，線電壓為正弦脈寬、幅值相等的窄矩形波，而相電壓為階梯波，電流接近正弦波，載波頻率越高，越接近正弦波。變頻器輸出電壓、電流波形圖如圖2所示。

圖2 變頻器輸出電壓、電流波形圖

因此，變頻器的輸入電流和輸出電壓均為非正弦波。由于存在非正弦波，所以存在諧波和諧波電壓。

1.2 變頻器諧波的特性

變頻器諧波有功功率是非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的，諧波有功功率方向與基波有功功率的方向相反，是從用戶端反送入電網(wǎng)。對(duì)于變頻器諧波源的用戶，其計(jì)量入口處的總有功功率將是基波有功功率和諧波有功功率之代數(shù)和（實(shí)際為相減）[2]。在變頻非線性負(fù)荷的工作過程中，基波的一部分功率會(huì)轉(zhuǎn)化為諧波有功功率，諧波有功功率會(huì)流入電網(wǎng)，在各種輸配電元件和其他設(shè)備中產(chǎn)生損耗和干擾。

2 諧波的影響與危害

1）諧波對(duì)于供電電路中的無功補(bǔ)償設(shè)備有一定的影響，當(dāng)諧波流入電網(wǎng)時(shí)，使得變電所高壓電容產(chǎn)生過電流或過負(fù)荷，從而無法確保電容設(shè)備的正常使用，情況嚴(yán)重時(shí)，電容會(huì)使得電網(wǎng)諧波進(jìn)一步放大[3]。

2）對(duì)于旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，由于定子繞組、轉(zhuǎn)子回路和鐵芯中存在的諧波電流或諧波電壓產(chǎn)生附加損耗，降低了配電系統(tǒng)和電氣設(shè)備的系統(tǒng)效率。更為嚴(yán)重的是，諧波振動(dòng)容易使汽輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)力矩，從而引起機(jī)械共振，引起葉片變形，導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。

3）電網(wǎng)中存在諧波會(huì)使得測試儀器以及計(jì)量裝置產(chǎn)生誤差，達(dá)不到正確的指示和計(jì)量。當(dāng)斷路器斷開含有諧波的電流時(shí)，斷路器的能力將大大降低，從而引起電弧重燃、斷路甚至短路爆炸。

4）諧波會(huì)使得配電系統(tǒng)中增加變壓器的銅損、鐵損，影響變壓器使用容量與使用效率，使得變壓器噪聲增加，使用壽命縮短[4]。

5）諧波不經(jīng)處理不能自然消除，電網(wǎng)中的諧波電壓與諧波電流積累和疊加，導(dǎo)致線損增大，電力設(shè)備的過熱，加大了電力運(yùn)行成本，增加了電費(fèi)支出[5]。

3 變頻器諧波的測量實(shí)驗(yàn)

變頻器輸入端、輸出端都是三組對(duì)稱的電壓、電流波形。按照變頻器諧波的理論，不存在“3”（3、6、9、12、15、18、21、24……）的整數(shù)倍諧波，也同樣不存在“2”（2、4、6、8、10、12、14、16……）的整數(shù)倍諧波，由此說明變頻器頻譜只存在5、7、11、13、17、19次……。

在某實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)型號(hào)為Y280S-8，電動(dòng)機(jī)額定功率為37 kW，額定轉(zhuǎn)速為740 r/min 的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行諧波實(shí)驗(yàn)，配備的變頻器為油田常用的某型號(hào)變頻器。本次實(shí)驗(yàn)測量的是諧波電流畸變率以及各次諧波電流含有率（即各次諧波電流與基波電流的比值）。

實(shí)驗(yàn)一：將變頻器頻率設(shè)置為50 Hz，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載大小來進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)相同頻率情況下，不同負(fù)載情況下的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行諧波實(shí)驗(yàn)，負(fù)載分別為20%、40%、60%、80%、100%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同負(fù)載下電網(wǎng)側(cè)諧波電流總畸變率

由實(shí)驗(yàn)一的結(jié)果可以看出，在相同頻率的條件下，電網(wǎng)側(cè)諧波電流總畸變率隨著負(fù)載率的升高而降低，當(dāng)負(fù)載率為100%時(shí)，諧波電流總畸變率為最低值。

實(shí)驗(yàn)二： 設(shè)定電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率為恒定（100%），在變頻器的輸出頻率分別為20、25、30、35、40、50 Hz 時(shí)分別進(jìn)行諧波實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。同時(shí)，也測量了5、7、11、13、17、19 次、23 次諧波電流含有率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 不同頻率下電網(wǎng)側(cè)諧波電流總畸變率

由實(shí)驗(yàn)二可以看出，表2 中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，電網(wǎng)側(cè)電流諧波總畸變率隨著變頻器輸出頻率的升高而降低。當(dāng)頻率為50 Hz 時(shí)，諧波電流總畸變率為最低值。由表3 中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在5、7、11次時(shí)諧波電流含有率較大，各次諧波電流含有率與變頻器輸出頻率有關(guān)。在較低輸出頻率運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的諧波電流會(huì)造成電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，無功損耗增大，功率因數(shù)減小。所以諧波電流在變頻器輸出頻率較低時(shí)造成的影響更大。

表3 不同頻率下電網(wǎng)側(cè)分次諧波電流含有率

4 變頻器諧波的治理

目前，治理變頻器諧波問題可以采用以下方法。

1）安裝交流電抗器和直流電抗器：當(dāng)變壓器容量大于500 kVA、且容量大于變頻器容量10 倍以上時(shí)，需要在變頻器輸入側(cè)安裝交流電抗器；當(dāng)變壓器三相輸出電壓不平衡且不平衡率大于3%時(shí)，變頻器輸入電流峰值較大，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體過熱，需要交流電抗器[6]。嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)裝設(shè)直流電抗器。

2）安裝無源濾波器：在變頻器的交流側(cè)安裝無源濾波器。無源濾波器由L、C、R三個(gè)分量構(gòu)成諧波諧振環(huán)，當(dāng)L、C 回路的諧波頻率與某一諧波電流的諧波頻率相同時(shí)，可以防止諧波流入電網(wǎng)[7]。無源濾波器具有投資少、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、易于維護(hù)等特點(diǎn)，而缺點(diǎn)是容易受系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定的影響，有可能會(huì)將一些次諧波放大，體積較大、成本較高。

3）加裝無功功率靜止型無功補(bǔ)償裝置：當(dāng)負(fù)載是一些沖擊負(fù)荷較大的設(shè)備時(shí)，可安裝無功功率靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置，以獲得補(bǔ)償負(fù)荷快速變化的無功功率需求，提高功率因數(shù)、濾除系統(tǒng)諧波、穩(wěn)定電壓、減少三相電壓不平衡，從而提高供電系統(tǒng)的諧波承受能力[8]。其中，自飽和電抗型的效果最好，電子元器件少、可靠性高、反應(yīng)速度快、維修方便經(jīng)濟(jì)，可由國內(nèi)一般變壓器廠生產(chǎn)[9]。

4）線路分開：由于電力系統(tǒng)中的阻抗，諧波負(fù)載電流會(huì)引起電壓波形的畸變。將產(chǎn)生諧波負(fù)荷的供電線路與對(duì)諧波敏感的負(fù)荷供電線路分開[10]。線性負(fù)載和非線性負(fù)載由來自同一接口點(diǎn)PCC 的不同電路供電，使得非線性負(fù)載產(chǎn)生的畸變電壓不會(huì)傳輸?shù)骄€性負(fù)載[11]。

5）電路的多重化、多元化：并聯(lián)使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的逆變單元，通過波形移位疊加消除諧波分量[12]；多重整流電路采用12、18、24 脈波整流，減少諧波分量；串聯(lián)多重功率單元采用多脈波（如30 脈波串），而功率單元多路電路也可以減少諧波分量。

5 結(jié)語

文中分析了變頻器產(chǎn)生濾波的原因，并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)分別研究了變頻器負(fù)載、變頻器頻率與變頻器諧波產(chǎn)生的關(guān)系，以及諧波的一些治理方法。通過科研人員的不懈努力和產(chǎn)品成本降低、變頻技術(shù)進(jìn)步，在未來若干年內(nèi)，變頻器諧波問題將得到有效解決，使變頻器也成為真正的“綠色電源”。