在工業(yè)調速傳動領域中,與傳統(tǒng)的 機械 調速相比,用變頻電源調速有諸多優(yōu)點,應用非常廣泛,但由于變頻電源逆變電路的開關特性,對其供電電源形成了一個典型的非線性負載,變頻電源在現(xiàn)場通常與其它設備同時運行,例如計算機和傳感器,這些設備常常安裝得很近,這樣可能會造成相互影響。因此,以變頻電源為代表的電力 電子 裝置是公用電網(wǎng)中*主要的諧波源之一,其對電力系統(tǒng)中電能質量有著重要的影響。供電系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅立葉級數(shù)分解,除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量,還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量,這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1) 稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時也存在非整數(shù)倍諧波,稱為非諧波(Non-harmonics)或分數(shù)諧波。諧波實際上是一種 干擾量,使電網(wǎng)受到“污染”,電能質量下降。 電工 技術領域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測量、危害及抑制,其頻率范圍一般 為2≤n≤40。
二、諧波的產(chǎn)生過程
向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波電壓的電氣設備稱為諧波源。具有非線性特性的電氣設備是主要的諧波源,例如帶有功率電子器件的變流設備,交流 控制器 和電弧爐、感應爐、熒光燈、 變壓器 等。
諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經(jīng)負載時,與所加的電壓不呈線性關系,就形成非正弦電流,從而產(chǎn)生諧波。
諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù),根據(jù)法國數(shù)學家傅立葉(M.Fourier)分析原理證明,任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波,每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次諧波。在平衡的三相系統(tǒng)中,由于對稱關系,偶次諧波已經(jīng)被消除了,只有奇次諧波存在,奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。我國工業(yè)企業(yè)也越來越多的使用產(chǎn)生諧波的電氣設備,例如晶閘管電路供電的直流提升機、交-交變頻裝置、軋鋼機直流傳動裝置、晶閘管串級調速的風機水泵和冶煉電弧爐等。這些設備取用的電流是非正弦形的,其諧波分量使系統(tǒng)正弦電壓產(chǎn)生畸變。諧波電流的量取決于諧波源設備本身的特性及其工作狀況,而與電網(wǎng)參數(shù)無關,故可視為恒流源。 各種晶閘管電路產(chǎn)生的諧波次數(shù)與其電路形式有關,稱為該電路的特征諧波。除特征諧波外,在三相電壓不平衡,觸發(fā)脈沖不對稱或非穩(wěn)定工作狀態(tài)下,上述電路還會產(chǎn)生非特征諧波。進行諧波分析和計算*有意義的是特征諧波,如果5,7,11,13次等。如直流側電流波紋較大,則5次諧波幅值將增大,其余各次諧波幅值將減少。 當電網(wǎng)接有多個諧波源時,由于各諧波源的同次諧波電流分量的相位不同,其和將小于各分量的算術和。 變壓器激磁電流中含有3,5,7等各次諧波分量。由于變壓器的原副邊繞組中總有一組為角形接法,為3次諧波提供了通路,故3次諧波電流不流入電網(wǎng)。但當各相激磁電流不平衡時,可使3次諧波的殘余分量(*多可達20%)進入電網(wǎng)。
三、諧波危害
對于電力系統(tǒng)來說,電力諧波的危害主要表現(xiàn)有以下幾方面:
(1)增加輸、供和用電設備的額外附加損耗,使設備的溫度過熱,降低設備的利用率和經(jīng)濟效益:
(2)電力諧波對輸電線路的影響:
諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡諧振點附近的諧振區(qū)內時,對輸電線路和電力電纜線路會造成絕緣擊穿。
(3)電力諧波對變壓器的影響:
諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場強度,諧波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱性負荷的變壓器而言,會大大增加勵磁電流的諧波分量。
(4) 電力諧波對電力電容器的影響:
含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時,由于電容器對電力諧波阻抗很小,諧波電流疊加在電容器的基波上,使電容器電流變大,溫度升高,壽命縮短,引起電容器過負荷甚至爆炸,同時諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波諧振,使故障加劇。
(5)影響繼電保護和自動裝置的工作可靠性:
特別對于電磁式 繼電器 來說,電力諧波常會引起繼電保護及自動裝置誤動或拒動,使其動作失去選擇性,可靠性降低,容易造成系統(tǒng)事故,嚴重威脅電力系統(tǒng)的**運行。
(6)對通訊系統(tǒng)工作產(chǎn)生干擾:
電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時,會在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓,干擾通信系統(tǒng)的工作,影響通信線路通話的清晰度,甚至在極端的情況下,還會威脅著通信設備和人員的**。
(7)對用電設備的影響:
電力諧波會使電視機、計算機的圖形畸變,畫面亮度發(fā)生波動變化,并使機內的元件溫度出現(xiàn)過熱,使計算機及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤,嚴重甚至損害機器。
四、諧波治理
治理諧波問題,抑制輻射干擾和供電系統(tǒng)干擾,可采取屏蔽、隔離、接地及濾波等技術手段。治理諧波的主要措施有:加大系統(tǒng)短路容量;提高供電電壓等級;增加變流裝置的脈動數(shù);改善系統(tǒng)的運行方式,設置交流濾波器等都能減小系統(tǒng)中的諧波成分。交流濾波器又分為無源濾波器和有源濾波器兩種。有源濾波器是一種向系統(tǒng)注入補償諧波電流,以抵消非線性負荷所產(chǎn)生的諧波電流的能動式濾波裝置。它能對變化的諧波進行迅速的動態(tài)跟蹤補償,且補償特性不受系統(tǒng)阻抗影響。其結構相對復雜,運行損耗較大,設備造價高;在補償諧波的同時,也會注入新的諧波。無源濾波器(又稱LC濾波器)是利用LC諧振原理,人為地造成一條串聯(lián)諧振支路,為欲濾除的主要諧波提供阻抗極低的通道,使之不注入電網(wǎng)。LC濾波器結構簡單,吸收諧波效果明顯;但僅對固有頻率的諧波有較好的補償效果;且補償特性受電網(wǎng)阻抗的影響很大,在特定頻率下,電網(wǎng)阻抗和LC濾波器之間可能會發(fā)生并聯(lián)諧振或者串聯(lián)諧振。
五、綜述
無功功率補償, 諧波治理技術是當前乃至今后相當長的時期內, 緩解電力供需矛盾, 改善供電質量的一種行之有效的手段之一, 經(jīng)廣泛推廣應用后, 能為國家和用戶帶來巨大的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。將變頻電源產(chǎn)生的諧波控制在*小范圍內,達到科學合理用電,抑制電網(wǎng)污染,提高電源質量。