论文部分内容阅读
【摘 要】本文阐述了变频调速的的优点以及变频器在港口固定起重设备中的应用前景。通过对变频器工作原理的介绍，分析了其产生谐波的机理以及变频器谐波对港口公用电网的危害。同时，探讨了抑制变频器谐波回馈的方法，并着重介绍了洁电节电设备在抑制变频器谐波干扰方面所取得的效果。
【关键词】变频器；谐波；危害 ；解决方法
目前国内港口固定起重设备主要采用常规控制和PLC控制与变频调速相结合这两种工作方式。相比传统的接触器控制以及切电机转子电阻调速的工作方式，变频调速在降低设备故障率，提高设备工作效率等方面都有明显的优势。
1.运行稳定性高
变频器控制电机调速，整个系统具有足够的调速硬度和良好的低频转矩特性，即使在0Hz时电机也能以150%额定转矩输出，克服了常规控制带载运行时对电气部件冲击大的缺点，使得设备能够长期低速运行，具有极高的稳定精度。
2.整机故障率低
常规控制的门机采用了大量交流接触器和继电器来完成控制，节点繁多且故障率极高，增加了维修频率和维修难度，设备的工作效率普遍偏低。采用PLC控制和变频器调速后，减少了接触器和继电器的数量，大大较低故障发生率，提高了设备的可靠性。
3.节约电能
变频调速简化了电控系统，省去了电机转子侧的大功率电阻、切换交流接触器和换向交流接触器，降低了电能在这些元器件上的消耗；同时变频器是无极调速，速度变化平稳，避免了常规控制时速度突变所造成的电能损失。随着变频器的大规模使用，其所产生的谐波将会大量回馈到港口电网中。
所谓谐波，广义上讲，指的是电网中任何与工频频率（50Hz）不同的成分。变频器在工作过程中，将50Hz的工频电流通过整流和逆变转换为频率可调的交流信号，其原理图如图1所示，其中变频器输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路，这两部分都使用了半导体开关元件，在控制上则采用的是PWM控制方式，这就决定了在开断过程中，其输入和输出端都会产生高次谐波，而输入端谐波会通过输入电源线对公用电网产生影响。
图1变频器原理图
严重的谐波干扰会对周围的通信系统和网内其他用电设备带来不良影响，主要表现在以下几个方面：
1.谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，谐波电流使输电线路上的电能损耗增加，谐波电压会增加变压器的铜损，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。
2.谐波会引起继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。在港口固定起重设备中，出于安全考虑，常常设定一些电气限位，而这些限位装置一旦由于谐波的存在而产生了误动作，其后果是难以想象的。
3.谐波会对通讯系统产生干扰：电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻近电力的通信线路中产生干扰电压，轻者会降低通讯质量，重者会导致信息丢失，使通讯系统无法正常工作。港口固定起重设备中，PLC与变频器之间的信息交换通过总线通讯来实现，一旦通讯受到干扰，将会对整个设备的正常工作造成影响。
由于变频器产生的谐波会对港口供配电系统产生上述的影响，因此需要采取有效的谐波抑制措施。谐波抑制主要分为补偿式和消除式两种方法。其中补偿式是设置吸收装置来吸收谐波，而消除式是通过改变谐波源的工作方式和工作性能使其减少产生谐波。抑制变频器谐波产生的具体措施有以下几种：
1.变频器的隔离、屏蔽、接地：屏蔽干扰源是抑制干扰最有效的方法，通常变频器本身用铁壳屏蔽，输出线最好用钢管屏蔽，当以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短（一般为20m以内），且信号线采用双芯屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地，正确的屏蔽即可使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰[1]。
2.选用适当的电抗器：当变频器使用的配电变压器容量大于500KVA，且变压器容量大于变频器容量10倍以上时，则在变频器输入侧加装交流电抗器，这样可使整流阻抗增大以有效抑制高次谐波电流，减少电源浪涌对变频器的冲击，即能阻止来自电网的谐波干扰，又能减少变频器整流单元所产生的谐波电流对电网的污染。
3.在变频器的输入侧安装无源滤波器：无源滤波器是由L、C、R元件构成的谐波共振回路，当LC回路的谐波频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止高次谐波流入电网。
4.加装无功功率静止型补偿装置：对于大型冲击性負荷，可装设无功功率静止型无功补偿装置，以获得补偿负荷快速变动的无功需求，改善功率因数，滤除系统谐波，减少变频器向电网注入谐波电流，稳定母线电压，降低三相电压不平衡度，提高供电系统承受谐波的能力。
5.使用理想化的无谐波污染的绿色变频器：绿色变频器的品质标准是：输入和输出电流都是正弦波，输入功率因数可控，带任何负载使都能使功率因数为1，可获得工频上下任意可控的输出功率[2]。
以上五种措施都是传统意义上解决变频器谐波问题的方法。随着科学技术的发展，一些专业的净化电网环境，节约电能的设备被广泛应用到工业现场中。专业性设备的出现，使变频器的谐波治理上升到一个更新的发展阶段。图2所示为一款日本MXVR高效全自动节电洁电机，该设备能够提高供配电系统的有功功率，保持三相平衡，同时具备有效降低电网谐波的功能。
图2 MXVR高效全自动节电洁电机
随着国家倡导科学发展观，重视节能降耗问题，对以电能为主要生产用能的港口企业来说，电网的清洁将会成为未来很长一段时间内的关键课题。随着电力电子技术以及微电子技术的飞速发展，在谐波治理问题上将会迈上一个新的台阶，将变频器产生的谐波控制在最小范围内以达到抑制电网污染，提高电能质量的想法最终一定会实现。
参考文献：
[1]张兰，刘建霞.变频器谐波干扰与抑制[J].中国科技信息，2005，16：68-74.
[2]吴胜奎.变频器的谐波危害及应对措施浅谈[J].现代经济信息，2009，18：271.
作者简介
刘政平，男，1981年1月29日出生，2008年7月毕业于东北大学检测技术与自动化装置专业，获工学硕士学位。现工作于大连港油品码头公司，从事港口电气管理工作，中级工程师职称。通信地址：大连市保税区新港街道迎宾路大连港油品码头公司电控运维中心。
【关键词】变频器；谐波；危害 ；解决方法
目前国内港口固定起重设备主要采用常规控制和PLC控制与变频调速相结合这两种工作方式。相比传统的接触器控制以及切电机转子电阻调速的工作方式，变频调速在降低设备故障率，提高设备工作效率等方面都有明显的优势。
1.运行稳定性高
变频器控制电机调速，整个系统具有足够的调速硬度和良好的低频转矩特性，即使在0Hz时电机也能以150%额定转矩输出，克服了常规控制带载运行时对电气部件冲击大的缺点，使得设备能够长期低速运行，具有极高的稳定精度。
2.整机故障率低
常规控制的门机采用了大量交流接触器和继电器来完成控制，节点繁多且故障率极高，增加了维修频率和维修难度，设备的工作效率普遍偏低。采用PLC控制和变频器调速后，减少了接触器和继电器的数量，大大较低故障发生率，提高了设备的可靠性。
3.节约电能
变频调速简化了电控系统，省去了电机转子侧的大功率电阻、切换交流接触器和换向交流接触器，降低了电能在这些元器件上的消耗；同时变频器是无极调速，速度变化平稳，避免了常规控制时速度突变所造成的电能损失。随着变频器的大规模使用，其所产生的谐波将会大量回馈到港口电网中。
所谓谐波，广义上讲，指的是电网中任何与工频频率（50Hz）不同的成分。变频器在工作过程中，将50Hz的工频电流通过整流和逆变转换为频率可调的交流信号，其原理图如图1所示，其中变频器输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路，这两部分都使用了半导体开关元件，在控制上则采用的是PWM控制方式，这就决定了在开断过程中，其输入和输出端都会产生高次谐波，而输入端谐波会通过输入电源线对公用电网产生影响。
图1变频器原理图
严重的谐波干扰会对周围的通信系统和网内其他用电设备带来不良影响，主要表现在以下几个方面：
1.谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，谐波电流使输电线路上的电能损耗增加，谐波电压会增加变压器的铜损，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。
2.谐波会引起继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。在港口固定起重设备中，出于安全考虑，常常设定一些电气限位，而这些限位装置一旦由于谐波的存在而产生了误动作，其后果是难以想象的。
3.谐波会对通讯系统产生干扰：电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻近电力的通信线路中产生干扰电压，轻者会降低通讯质量，重者会导致信息丢失，使通讯系统无法正常工作。港口固定起重设备中，PLC与变频器之间的信息交换通过总线通讯来实现，一旦通讯受到干扰，将会对整个设备的正常工作造成影响。
由于变频器产生的谐波会对港口供配电系统产生上述的影响，因此需要采取有效的谐波抑制措施。谐波抑制主要分为补偿式和消除式两种方法。其中补偿式是设置吸收装置来吸收谐波，而消除式是通过改变谐波源的工作方式和工作性能使其减少产生谐波。抑制变频器谐波产生的具体措施有以下几种：
1.变频器的隔离、屏蔽、接地：屏蔽干扰源是抑制干扰最有效的方法，通常变频器本身用铁壳屏蔽，输出线最好用钢管屏蔽，当以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短（一般为20m以内），且信号线采用双芯屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地，正确的屏蔽即可使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰[1]。
2.选用适当的电抗器：当变频器使用的配电变压器容量大于500KVA，且变压器容量大于变频器容量10倍以上时，则在变频器输入侧加装交流电抗器，这样可使整流阻抗增大以有效抑制高次谐波电流，减少电源浪涌对变频器的冲击，即能阻止来自电网的谐波干扰，又能减少变频器整流单元所产生的谐波电流对电网的污染。
3.在变频器的输入侧安装无源滤波器：无源滤波器是由L、C、R元件构成的谐波共振回路，当LC回路的谐波频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止高次谐波流入电网。
4.加装无功功率静止型补偿装置：对于大型冲击性負荷，可装设无功功率静止型无功补偿装置，以获得补偿负荷快速变动的无功需求，改善功率因数，滤除系统谐波，减少变频器向电网注入谐波电流，稳定母线电压，降低三相电压不平衡度，提高供电系统承受谐波的能力。
5.使用理想化的无谐波污染的绿色变频器：绿色变频器的品质标准是：输入和输出电流都是正弦波，输入功率因数可控，带任何负载使都能使功率因数为1，可获得工频上下任意可控的输出功率[2]。
以上五种措施都是传统意义上解决变频器谐波问题的方法。随着科学技术的发展，一些专业的净化电网环境，节约电能的设备被广泛应用到工业现场中。专业性设备的出现，使变频器的谐波治理上升到一个更新的发展阶段。图2所示为一款日本MXVR高效全自动节电洁电机，该设备能够提高供配电系统的有功功率，保持三相平衡，同时具备有效降低电网谐波的功能。
图2 MXVR高效全自动节电洁电机
随着国家倡导科学发展观，重视节能降耗问题，对以电能为主要生产用能的港口企业来说，电网的清洁将会成为未来很长一段时间内的关键课题。随着电力电子技术以及微电子技术的飞速发展，在谐波治理问题上将会迈上一个新的台阶，将变频器产生的谐波控制在最小范围内以达到抑制电网污染，提高电能质量的想法最终一定会实现。
参考文献：
[1]张兰，刘建霞.变频器谐波干扰与抑制[J].中国科技信息，2005，16：68-74.
[2]吴胜奎.变频器的谐波危害及应对措施浅谈[J].现代经济信息，2009，18：271.
作者简介
刘政平，男，1981年1月29日出生，2008年7月毕业于东北大学检测技术与自动化装置专业，获工学硕士学位。现工作于大连港油品码头公司，从事港口电气管理工作，中级工程师职称。通信地址：大连市保税区新港街道迎宾路大连港油品码头公司电控运维中心。