DQZHAN技術(shù)訊：變頻器的電能質(zhì)量問(wèn)題分析及解決方案
變頻器是工業(yè)電動(dòng)機(jī)節(jié)能的主要手段，節(jié)能效率在30%左右，效果顯著，同時(shí)，它還具有**的調(diào)速和保護(hù)功能。但是變頻器是典型的非線性用電設(shè)備，使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的特征次諧波，這些諧波污染電網(wǎng)，對(duì)用電設(shè)備的**穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重的威脅;同時(shí)由于畸變無(wú)功的存在，變頻器綜合用電功率因數(shù)比較低，嚴(yán)重降低了配電設(shè)備的使用效率。本文重在介紹一種對(duì)變頻器進(jìn)行針對(duì)性的諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備。

1.前言

“十二五”時(shí)期，我國(guó)將把大幅度降低能源消耗作為適應(yīng)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)要求的長(zhǎng)效機(jī)制。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)大量變頻節(jié)能項(xiàng)目的實(shí)施，驗(yàn)證了變頻節(jié)能是一項(xiàng)提高電能高效利用的技術(shù)措施，是一項(xiàng)能夠有力推動(dòng)節(jié)能降耗持續(xù)運(yùn)行的雙贏節(jié)能技術(shù)。

但變頻器群的大量投入帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題也越來(lái)越凸顯，主要表現(xiàn)為配電系統(tǒng)中大量的無(wú)功功率往復(fù)、降低配電設(shè)備的使用率和大量的諧波帶來(lái)的用電不穩(wěn)地問(wèn)題，這就要求有針對(duì)性的設(shè)備對(duì)變頻器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理，變頻器專用濾波器應(yīng)運(yùn)而生。

2.變頻器帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題

2.1.問(wèn)題描述

2.1.1.變頻器群工作時(shí)，變頻器出現(xiàn)概率性的保護(hù)動(dòng)作問(wèn)題，繼電保護(hù)誤動(dòng)作，PLC異常，儀表讀數(shù)錯(cuò)誤，特別是變頻器負(fù)荷比例增加時(shí)，配電系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象惡化趨勢(shì)明顯。

2.1.2.變頻器負(fù)荷比例比較大的現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)功補(bǔ)償電容器不能有效投切，電容器容易損壞和燒毀，考核點(diǎn)功率因數(shù)難以持續(xù)達(dá)標(biāo)。

2.1.3.隨著變頻器負(fù)荷的增加，原來(lái)正常使用的電纜、變壓器溫升明顯，變壓器噪音異常，配電設(shè)備的容量得不到充分的使用。

2.1.4.變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，噪聲尖銳，絕緣、軸承容易損壞。
2.2.電能質(zhì)量數(shù)據(jù)

2.2.1.諧波數(shù)據(jù)

許多文獻(xiàn)資料中給出的變頻器THDI為30%左右，這個(gè)結(jié)果是建立在變頻器內(nèi)置了合適的直流電抗器的基礎(chǔ)之上的。國(guó)產(chǎn)大部分品牌及部分國(guó)際品牌是未內(nèi)置電抗器的，因此通常情況下變頻器輕載時(shí)THDI可以達(dá)到140%以上，重載時(shí)THDI也在80%左右，如此大的諧波電流畸變率肯定會(huì)給接入的系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的諧波問(wèn)題。一般弱系統(tǒng)在變頻器負(fù)荷比例達(dá)到20%左右，強(qiáng)系統(tǒng)在變頻器負(fù)荷比例達(dá)到40%左右，諧波帶來(lái)的不穩(wěn)定問(wèn)題就會(huì)凸顯。

圖1：75kW變頻器不串聯(lián)電抗器的電流波形和頻譜

表格1：某品牌75kW變頻器不串聯(lián)電抗器的電流頻譜

表格2：某品牌15kW變頻器出廠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2.2.2.功率因數(shù)數(shù)據(jù)

認(rèn)為變頻器功率因數(shù)很高的觀念普遍存在，變頻器的相移功率因數(shù)的確很高，且電力公司僅考核相移功率因數(shù)，所以會(huì)有變頻器功率因數(shù)的錯(cuò)覺(jué)。

但是由于畸變無(wú)功的存在，功率因數(shù)引入畸變因子之后，所得出的綜合功率因數(shù)是很低的。即便畸變無(wú)功功率不被考核，但是這部分無(wú)功功率在配電系統(tǒng)中的流動(dòng)會(huì)引起線路和變壓器損耗，占用線路和變壓器容量，降低設(shè)備有效使用率。圖2DPF代表相移無(wú)功，PF代表綜合功率因數(shù)，變頻器類負(fù)載實(shí)測(cè)值差距明顯。

圖2：90kW變頻器50%負(fù)荷率時(shí)的功率情況

2.3.相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1.諧波標(biāo)準(zhǔn)

和變頻器相關(guān)的諧波標(biāo)準(zhǔn)有GB14549、GB17625和IEEE519、IEC61000-3。

GB14549、IEEE519體現(xiàn)了供電公司與電力用戶之間的責(zé)任關(guān)系，供電公司使用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)保證公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

GB17625、IEC61000-3體現(xiàn)了設(shè)備制造商與設(shè)備用戶之間責(zé)任關(guān)系，設(shè)備用戶使用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保證采購(gòu)的設(shè)備使用過(guò)程中對(duì)內(nèi)不對(duì)企業(yè)造成危害，對(duì)外不為供電公司懲罰。

2.3.2.功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

水電財(cái)字第215號(hào)文件對(duì)工業(yè)用戶要求的功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為不低于0.90。

變頻器的無(wú)功功率由兩部分組成：相移無(wú)功和畸變無(wú)功。變頻器功率因數(shù)比較低的原因是畸變無(wú)功較大，綜合功率因數(shù)一般為0.6~0.8。純電容補(bǔ)償不能解決畸變無(wú)功過(guò)大的問(wèn)題，必須采用變頻器專用濾波器來(lái)提高功率因數(shù)。
3.變頻器專用濾波器的應(yīng)用案例

3.1.工程現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題描述

某陶瓷廠1臺(tái)3150kVA變壓器，主要為天然氣站的供電。氣站的氣泵采用某日資品牌的變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。2014年春節(jié)之前沒(méi)有特別異常的故障現(xiàn)象，只是電容器損壞比較頻繁;2014年春節(jié)之后新增一些變頻器，出現(xiàn)變頻器群偶發(fā)、隨機(jī)性的直流母線電壓過(guò)低保護(hù)問(wèn)題，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的連續(xù)性。

用萬(wàn)用表測(cè)試母線電壓，*小不低于375V，在變頻器適應(yīng)的電壓范圍之內(nèi)。進(jìn)而采用法國(guó)CA5335電能質(zhì)量測(cè)試儀測(cè)試，正常生產(chǎn)時(shí)變壓器出線側(cè)電壓為394V，見(jiàn)圖3，電壓畸變率9.7%左右，見(jiàn)圖4;氣站電房距離變壓器出線柜電房100m左右，變頻柜母線電壓為376V，見(jiàn)圖5，電壓畸變率13.2%左右，見(jiàn)圖6。

圖3：3150kVA變壓器出線側(cè)電壓波形

圖4：3150kVA變壓器出線側(cè)電壓畸變率

圖5：氣站電房變頻柜母線電壓波形

圖6：氣站電房變頻柜母線電壓畸變率
3.2.問(wèn)題的特殊性

3.2.1.由3.1的數(shù)據(jù)可以看出，母線電壓在變頻器容許的運(yùn)行范圍之內(nèi)，但是電壓波形變成了平頂波。變頻器直流母線主要靠波頭充電，平頂波造成對(duì)直流母線的充電不足，直流母線電壓過(guò)低、保護(hù)。

3.2.2.現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)償電容損壞嚴(yán)重，測(cè)試發(fā)現(xiàn)投入的電容器流入大量的高次諧波，這些諧波加速了電容器的老化，同時(shí)惡化了系統(tǒng)中的諧波嚴(yán)重程度。

圖7：流入補(bǔ)償電容器電流波形及畸變率

3.2.3.由于現(xiàn)場(chǎng)24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，改造出線柜電房普通補(bǔ)償為濾波補(bǔ)償不具備安裝空間和操作條件。

3.2.4.變頻器的相移無(wú)功很小，采用LC濾波器不能投入足夠的基波容量，濾波效果難以保障。

3.2.5.變頻器負(fù)載率變化范圍比較大，要求濾波器在此范圍內(nèi)具有良好的濾波特性。

3.3.變頻器電能質(zhì)量問(wèn)題的解決方案

本案例的現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題很明確：變頻器群大量的諧波電流饋入變壓器引起嚴(yán)重的電壓畸變，比較長(zhǎng)的線路加劇了末端電壓的損失和畸變情況，進(jìn)而引起變頻器直流母線電壓充電不足，低電壓保護(hù)。

3.3.1.傳統(tǒng)的濾波方式有針對(duì)變壓器的集中LC無(wú)源濾波和APF有源濾波。

3.3.2.本案例由于空間和生產(chǎn)方式的問(wèn)題，集中LC無(wú)源濾波不具有安裝空間和操作條件，無(wú)法實(shí)施，同時(shí)無(wú)源濾波在輕負(fù)荷時(shí)濾波效果不夠理想。

3.3.3.APF有源濾波可以有效的濾除變頻器的諧波，降低母線電壓畸變，但是成本較高，不是*優(yōu)的解決方案，同時(shí)有源濾波有比較大的有功損耗，會(huì)持續(xù)增加運(yùn)行成本，不能同時(shí)解決功率因數(shù)補(bǔ)償問(wèn)題，也是使用方的顧慮。
3.3.4.變頻器專用濾波器對(duì)單臺(tái)變頻器電流諧波畸變率可以限制到5%左右，在很寬的負(fù)荷率區(qū)間內(nèi)都具有良好的濾波特性，同時(shí)兼顧功率因數(shù)補(bǔ)償和諧波治理兩個(gè)功能，體積較小，可以安裝到變頻柜內(nèi)，可選擇具有改造條件的變頻器進(jìn)行配套。

3.3.5.本案例*終采用部分變頻器加裝專用濾波器，限制諧波電流總畸變率到不影響變頻器群穩(wěn)定運(yùn)行的方式解決了現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。圖8為加裝到變頻柜內(nèi)的濾波器，圖9、圖10為某臺(tái)變頻器濾波效果。

圖8：現(xiàn)場(chǎng)改造后的照片

圖9：5.5kW變頻器90%負(fù)荷濾波前諧波電流畸變率

圖10：5.5kW變頻器90%負(fù)荷濾波后諧波電流畸變率

表格3：某品牌15kW變頻器濾波后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表格3為某臺(tái)變頻器不同負(fù)荷率配套專用濾波器后的濾波效果，可見(jiàn)濾波器在比較寬的負(fù)荷率范圍內(nèi)都具有良好的濾波特性。
4.變頻器專用濾波器適用的范圍

變頻器專用濾波器適用于所有的對(duì)電網(wǎng)表現(xiàn)為6脈波整流特性的負(fù)載。

4.1.適用負(fù)載

對(duì)電網(wǎng)表現(xiàn)為六脈波整流負(fù)載特性的用電設(shè)備有：變頻器，UPS、EPS電源，工業(yè)電磁爐，化成電源，充電樁，單晶爐、多晶爐電源，淬火、透熱電源，磁選設(shè)備，注塑設(shè)備等。

配套型產(chǎn)品可以幫助以上產(chǎn)品滿足EMC認(rèn)證要求，獲得出口資格。

配套濾波器之后，原本需要12脈波整流方可適應(yīng)市場(chǎng)要求的用電設(shè)備依然采用6脈波整流即可滿足要求，甚至有更好的用電特性。

4.2.適用行業(yè)

變頻器、UPS等6脈波整流負(fù)載在**，紡織，通訊，拉晶，石油，化工，醫(yī)藥，塑料，市政，陶瓷，空調(diào)，煤炭等行業(yè)均有大量的應(yīng)用。

這些行業(yè)基本都屬于高耗能企業(yè)，電能質(zhì)量的優(yōu)化從根本上取決于相應(yīng)的行業(yè)設(shè)計(jì)院在項(xiàng)目投產(chǎn)期就提出相應(yīng)的電能質(zhì)量保證方案。
5.常用的濾波設(shè)備及效果對(duì)比

常用的被動(dòng)性濾波方式有串聯(lián)電抗器，并聯(lián)LC濾波器，并聯(lián)APF有源濾波器，串聯(lián)SSF變頻器專用濾波器，這幾種方式對(duì)于變頻器的電能質(zhì)量問(wèn)題均能夠取得不同程度的改善效果。

注：Qn為濾波設(shè)備額定容量。

6.結(jié)束語(yǔ)(意義及建議)

對(duì)變頻器類負(fù)荷就地進(jìn)行諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償，是整個(gè)社會(huì)對(duì)電能質(zhì)量需求的一種趨勢(shì)，也是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的常規(guī)做法。

隨著電力電子技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用普及，電能質(zhì)量問(wèn)題不僅僅是電力系統(tǒng)中的技術(shù)問(wèn)題，而且是關(guān)系到生活、生產(chǎn)質(zhì)量的社會(huì)問(wèn)題。

電能質(zhì)量問(wèn)題在項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中就進(jìn)行控制成本是*低的，等到出問(wèn)題再實(shí)施改造一是重復(fù)建造，浪費(fèi)資源，二是施工難度大，有時(shí)候局限于空間問(wèn)題而不能采取*合理的方案。

就解決設(shè)備級(jí)電能質(zhì)量問(wèn)題來(lái)說(shuō)，變頻器專用濾波器是6脈波整流類負(fù)載效果*好，*經(jīng)濟(jì)，*具有性價(jià)比的治理設(shè)備。

變頻器專用濾波器只解決了變頻器對(duì)電源側(cè)的電能質(zhì)量問(wèn)題，但不能解決負(fù)荷側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)熱、噪音、絕緣和軸承加速老化問(wèn)題。改善這類問(wèn)題需要在變頻器負(fù)荷側(cè)進(jìn)一步加裝輸出電抗器或者正弦濾波器。

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