变频器的工作原理以及谐波产生的原因和对电网的危害

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  摘要:本文分析了常见变频器的工作原理,并就电网系统中的谐波现象进行了仔细研究,通过分析两者的触发诱因及对电网系统的主要危害,提出了一系列改善电网运行状况的有效举措,为电网管理企业和管理人员提供了有价值的技术参考。
  关键词:变频器工作原理;谐波;电网危害
  【分类号】:TN773;TD634
  主要内容:
  信息化时代的快速发展带来了电子电力技术的突飞猛进,在当前的工业系统中,以微电子技术、大规模集成电路技术和超高压技术为代表的新兴电子技术正在扮演着日益重要的角色。由于交流调频技术在调速能力上的巨大优势,电子变频器得到了越来越广泛的应用,以变频器为核心的交流调速系统逐渐取代了直流调速系统,在提高电力装置的控制精度、生产效率和保证产品质量上都表现出了极大的适应能力。变频器的广泛使用导致了谐波问题的出现,并给电网系统的运行造成了极大的危害。本文从分析变频器的工作原理入手,总结了谐波现象的产生机理,并就谐波现象在电网系统的危害种类进行了初步研究。
  一、变频器的工作原理
  变频器的使用是基于交流调速的实际需要。变频器通过改变交流电机输入到交流电源中的频率来改变电机的转速,交流电机的同步转速表达式为:
  n=60*f(1-s)/p (1)
  电机的转速,f为异步电机的频率,s为电机的转差率,p为电机的极对数。
  由公式(1)可知转速n与频率f成正比,改变频率f就可改变电机的实际转速,当频率变化范围处于0-50HZ时,电机的转速调节范围十分宽广变频器就是通过改变电机的电源频率来实现电机转速的调节,这也是一种高效率的调速方式。利用变频器可以根据电机的实际负载进行同步的自动、平滑的速度变化;能够保证异步电机较小的转差率;真正的实现无级变速。变频器在水泵、风机等工作设备中得到了广泛的应用。
  二、谐波产生的原因
  由于在变频器中采用了大量的非线性电子电力元件,因此,在整流过程中,当电流流经非线性负载,实际所加载的电压与其呈非线性关系。变频器从电网在吸取的能量并非连续的正弦波,而是脉动形式的供应电流,这种脉动电流和电网线路阻抗共同形成的脉动电压加载到电网电压上,使得电网电压发生畸变。这种非同期正弦波电流是由频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成,即形成了非正弦电流,电路中有谐波形成。变频器的谐波主要有奇次谐波和偶次谐波,奇次谐波对电网的危害往往更大,常见的变频器产生的谐波主要为5、7次谐波。
  三、谐波对于电网系统的危害
  谐波的存在会在一定程度上影响电网的正常运行,对于容量较小的电力系统作用尤为明显。综合来说谐波对电网的危害主要体现在以下几个方面:
  3.1降低电网电力质量,增大电网损耗
  谐波现象使得电网的电压电流信号发生不可控的畸变,甚至使得中性线电流超过相线电流,造成线路过载、过热,输电线路的无功功率消耗增大,线路压降增强,电网工作效率降低。电网系统对于因为谐波效应而损失的电能将需要给以补充,这将大大的增大电网系统的额外用电损耗。通过增大电网的功率因素可以大大的降低电网的传输损耗,但是谐波效应将直接削弱这种措施的实际效果。非正弦电流电压形式下,功率因素的表达形式有别于电压电流之间的相位差,而是采用功率关系来表述功率因素:
  (2)
  (3)
  公式中D为畸变功率,P为有功功率,Q为无功功率,S为视在功率。
  从上述公式可以看出,电网中普遍存在的谐波将直接导致功率因数的降低,进而导致电网的实际损耗间接增加。此外,由于谐波电流频率为基准频率的整数倍,高频电流流经导体时,由于集肤效应的存在,导致导体对于谐波电流的有效电阻大大增加,进一步加重了设备的功率损耗,从而直接导致了电网的损耗。尤其是当电网系统发生谐振现象时,谐波现象对于电网的损耗将成级数增长。
  3.2影响电网计量装置,诱发安全事故
  电网中谐波的存在将影响电能计量的准确性,当谐波含量超过国家标准规定时,它所引起的误差较大,谐波含量越大,引起的计量误差也越大。谐波对于电能计量的影响主要是体现在对选用电表的影响上。电网管理系统中存在着大量的电力参数的计量仪表仪器,重要的测量技术指标有电网“线损率”,这是核心体现电网企业运行水平的主要技术指标。因而,电力计量设备的准确性将直接体现在电网企业的线损率的统计数据上。由于谐波现象的存在,将直接导致变压器铁心磁滞损耗增加。电网中谐波电压等值的基波负序电压一旦超过额定电压的限定值,将使得附加功耗明显增加,进而引起设备出现共振;在电网中金属化膜电容器被大量用于无功补偿或滤波器,当含有谐波的电压加在电容器两端时,谐波电流叠加在电容器的基波上,使电容器电流变大,温度升高,寿命缩短,引起电容器过负荷从而被烧毁;谐波通过电磁感应侵入计算机网络、有线电视、通讯网等弱电系统, 影响和干扰这些设备正常运行。
  四、消除谐波效应的措施
  根据谐波现象产生的原因和谐波对于电网系统的蛀牙危害,消除谐波现象的危害可以从以下三个方面进行考虑:1)在电网系统中消除谐波;2)改善电力电子装置,消除谐波产生的环境;3)对谐波产生装置进行谐波补偿。具体手段可有以下几种:
  4.1装设电力滤波装置,消除谐波干扰
  可以在电网中使用电抗器和有源电力滤波器,通过监测电网系统中的谐波电流电压信号,进行实时的补偿反馈,可以在一定程度上削弱谐波的危害。
  4.2合理布置变频器,消除谐波源头
  变频器系统的供电电源独立于其他设备的电源系统,在变频器供电设备内部安装隔离变压器,对变频器装置进行必要的屏蔽处理,并且就输电线路进行隔离处理,从源头上消除谐波的产生。
  4.3开发新型变频器,完善变频器的控制方式
  开发出新型变频器,输入输出电流采用正弦波信号,使之达到输入功率因素可控,在不同工况下稳定保持为1,实现输出频率的任意可调。同时,改善变频器的控制方式,尝试使用数字化控制变频器,融合各种控制方式的优势,强化软件滤波的能力,增强控制系统的抗干扰能力。
  总结:
  变频器在当前的电子电力行业得到了极其广泛的应用,为工业设备的无级变速的实现提供了一个新的技术手段,本文通过分析变频器的工作原理,浅述了谐波现象的诱发机理,并就谐波现象在电网运行中引发的各类危害进行了归纳总结,为广大电网工作者提供了一个有价值的技术参考。
  参考文献:
  [1]张永,变频器谐波产生原因与抑制方法[J],电气技术,2010(29)
  [2]李淑梅,浅析变频器的工作原理和控制方式[J],工业技术与产业经济,2009(1)
  [3]邹涌泉,变频器工作原理以及应用中的注意问题[J],自动化与仪器仪表,2011(53)
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