工业现场电力电子设备的谐波污染

作者：赵荣祥　来源：不详　时间：2006-5-17

大家都知道，电网中的高次谐波多来源于电力电子设备一类非线性负载。那么何谓非线性负载呢？凡是使用电力电子元器件或功率器件来完成某些目的，如AC→DC、DC→AC、AC→AC、DC→DC等，将交流的或者是直流的电能不断变化的一类负载。 随着现代工业的发展，各类电力电子设备应用的日益广泛，谐波污染问题越来越多、越来越严重，谐波的危害性也日益为工业企业所重视和深感棘手，谐波污染的抑制和治理也就自然成为目前各大科研机构和大专院校广泛而深入研究的一个热门课题。 1 非线性负载的日益增加化工、炼油工艺流程 这类工艺流程中，大量采用现代调速装置来进行风量和流量的调节，虽然可以取得明显的节能效果，但同时因为电力电子调速装置的使用而使得电网的谐波日益严重。 电气化铁道、地铁、轻轨机车、各种电动机车、工矿牵引、矿井卷扬及电梯，广泛用电力牵引调速传动以提高运输效率，减少大气污染，节约能源。 目前，国内这部分电力电子设备市场主要还是被国外所占领。根据美国自动化研究公司(Autocoated Research Corporatoin)的报告、九十年代全球工业应用的马达调速装置增加了25%，远远超过了前30年的增加率，目前年均增长率为5%，这个5%对国内不觉得是个令人惊讶的数字，但放在全球经济这个全局来考虑，则是个很大的比例。1998年交流调速装置硬件、软件及技术服务全球总销售值为48.5亿美元，2001年为64亿美元。代表电力电子技术发展水平的ABB公司和德国西门子公司，其调速类装置2001年的工业产值比2000年翻了一番。 工业和民用的交、直流供电电源的大量应用 高功率直流电源。 大功率电解直流电源。用于有色金属冶炼和化学工业。 电弧炉直流电源。用于钢铁工业。 电镀用的直流电源电流。 高功率、高性能不间断电源、通讯电源、电力备用电源和各种频率的全固态交流电源，用于银行、医院、程控交换站，远距离通讯、数据通讯站、变电站及军事设施。以通讯电源类为例，我国2001年拥有200亿人民币的应用市场。 各类感应加热电源。广泛应用于冶金和金属热处理工艺。 大功率全固态交流电源。日益广泛应用在x光机、声纳、臭氧发生器、各种通讯发射机上。 高功率电力电子设备的非线性负载所引起的谐波，危害了供电系统的安全与供电质量、轻者使电压波动严重、设备过载；重者使设备无法正常工作，此现象日趋严重。 目前我国大功率电力电子装置在工业应用中处于初级阶段，但随着变频调速等电力电子节能技术的进一步推广，其谐波污染问题将限制这些设备的进一步投入运行。 现有谐波滋生设备所引起的谐波必须加以治理。对于未来的新的谐波产生要有足够的应对措施 目前，国内的谐波污染在两种情况下特别严重（也是国内谐波产生的主要来源） 大量采用大功率不可控和可控硅整流、可控硅调速、电弧炉、电焊机等场合。 采用无谐波控制的间断型节能的变频调速装置的场合。 2 谐波污染的严重性 (1)电网不稳定，用电设备处于危险状态。我国电器对供电电源的要求很高，采用进口设备供电，发生电器烧毁的情况时常发生。通常，电网只能通过发电机输送正弦电流，那么负载引入的高次谐波是无法预知的，这种高次谐波的尖峰电压将严重危害到用电设备。 (2)使用电设备受到干扰而误动作，可靠性降低。谐波干扰主要有两个来源，一是产生和在线传导的谐波；二是高频辐射产生的谐波干扰。这些干扰都会严重引起用电设备的误动作，可靠性大大降低。尤其对数字控制设备的干扰更为突出，相对模拟设备来说，数字控制设备显得更为敏感，模拟设备受干扰最多产生"零漂"和"混漂"，不易发生误动作。 (3)引起用电设备过热、寿命降低和引起电气火灾。譬如对电动机，谐波的进入导致电机严重发热。而厂家的电机设计是依据正弦波电磁场，充分考虑了电机的发热与冷却问题，那么从发热角度看，电动机真能低速调速运行吗？我认为是不行的，首先，因为电机低速运行时定、转子依然会发热，而与电机转轴相连的冷却风扇几乎毫无强制风冷作用，电机的温升不断增加；其次．因为过大的du／dt和过高的高频谐波电压幅值，也会大大增加电机的发热。另外，因为高次谐波的存在，电机不能满出力运行。 (4)信息化设备无法正常工作。 (5)增加线路损耗。 (6)使电机产生附加力矩和附加损耗。 (7)影响电力计量的准确度。对于这一点电力局也无能为力，因为对于功率团数cosφ的定义，专业学科与实际应用无法统一，学科的定义是较为准确的，但无法测量；供电实用的定义用于计量又不能为用户所接受。 (8)为增加抑制干扰能力而提高设备的成本。供电单位不投资解决这个问题，用电单位又舍不得投入、得过且过，使得谐波愈加严重，治理的成本越来越高。 (9)对于人体的潜在危害尚不能排除。高次谐波产生的电磁辐射比工频电磁幅射更加伤害人体。 3 电力电子设备的谐波 (1)SCR可控整流负载 SCR全开放对感性负载谐波较小，但阻容负载的电流仍具有很大谐波(如图)。 SCR加控制对谐波增大、电阻性负载时电流仍具有很大谐波。控制角越大，对应的电流畸变（THD）越大(如图)。 (2)变频器负载 电压谐波 变频器所引起电网电压谐波较小，用fc=1.5KHz 数字滤波后被测接近纯净无谐波，说明谐波中以高次谐波为主。 相电压谐波的主要参数如下： 谐波电压含量：Um＜5V 电压总畸变率（相对基波）：THDμ＜3.5％ (0.38KV系统标准限量值为5%） 单次谐波含有率（相对基波）：HRUh＜3.5% （HDUμ最大，其它＜0.5%）（插图略） 电流谐波． 总体谐波电流状况 通过对某地不同容量、运行频率，用不同仪器测试的结果均表明： --变频器组引起的谐波电流大大超过IEEE.519标准较小容量系统5%的极限值； --注入的谐波电流绝对值也大大超过国家标准值； --电流总谐波畸变率THDi（相对于基波电流）为46.5～157%，有的甚至高达到220％。（插图略） 电流谐波与输出频率关系 变频器输出频率（负载）变化时，基波及低次谐波含有率（TRU－R）不变。 零序谐波、高次谐波及总谐波畸变率： THDi－R、THDi－F随负载增大略有减小。（插图略） 实验环境变频器 实验室环境的变频调速器带有一定的输入滤波电抗器。类比测试结果表明： 网侧电压畸变率：THDu＜2.5％ 单次谐波含有率：THDh＜1.5% 相电流畸变率：THDiMin-R=79% THDiMax-F=129％ 其中HRI5=78%（插图略） 带输入滤波电抗器后高频谐波虽然有降低，但相电流畸变仍然高出有关标准值很多。 测试结果表明，工业现场变频器组引起电流谐波状况恶劣。在所有测试样本中，电流畸变率THDi均在46.5%以上（相对总电流THD－R也在42%以上），仍然大大超过标准值。因此，对这类谐波源的限制使用和治理已到了刻不容缓的地步。 (3)中频感应电源负载 网侧电压：THDu=3. 32% 本新闻共2页,当前在第1页  [首页]    [上一页]    [下一页]    [末页]     选择页数12