直流調速裝置的諧波危害及抑制

李振

杭州安全玻璃有限公司 310000

摘要：介紹了大功率直流調速裝置諧波產生的原因及其危害，探討綜合治理抑制諧波污染的方法。

關鍵詞：直流調速裝置；諧波；抑制

直流電機是將直流電能轉換成機械能的旋轉電機。直流電機具有：（1）優良的調速特性，調速平滑、方便，調速范圍寬廣。（2）過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載。（3）要實現頻繁的無級快速起動、制動和反轉。（4）能滿足生產過程自動化系統各種不同的特殊運行要求等特點。因此直流電機在需要寬廣調速的場合和要求有特殊運行性能的自動控制系統中，一直占有突出的地位。隨著電力電子技術的快速發展，使直流調速系統更加完善，直流調速裝置也越來越多地應用于冶金、化工、煤炭和運輸等諸多領域，成為實現生產自動化的重要基礎設備。然而，大功率直流調速裝置將大量的諧波和無功率注入電網，使電網的電能質量下降，引起“電網污染”問題。因此，認識和分析大功率直流調速裝置諧波產生的原因及其危害，探討綜合治理的方法，抑制諧波污染，提高電網功率因數具有重要意義。

一、玻璃鋼化設備生產過程簡述

普通玻璃的鋼化一般分為物理鋼化和化學鋼化兩類。將普通玻璃加熱至700℃左右，迅速冷卻成型后的玻璃稱（物理）鋼化玻璃，其表面呈壓應力而內部呈張應力，其強度是普通玻璃的4倍，抗沖擊性是普通玻璃的3倍，可經受300℃的溫差變化而不破裂。鋼化玻璃破碎后，變成邊部呈鈍角的細小顆粒，可減輕對人或物的傷害程度。

我公司F45U鋼化爐的玻璃鋼化風機由4臺300HP直流電機（1#-4#）帶動的風機構成，上下兩個風道，分別從玻璃的上部和下部兩個方向對玻璃進行鋼化，每個風道由2臺串聯風機組成，以提供足夠的風量和風壓；每個風道的進風口均設有風門擋板；當玻璃鋼化時，上下風道的出風口擋板完全打開，而進風口擋風板打開至PLC設定的開度，8S后，上風道進、出風口的擋板均完全關閉，下風道出風口通過出風口擋板切換至另一個出風口把鋼化玻璃吹起，通過傳送帶輸送到冷卻段。鋼化玻璃在冷卻段由兩臺75HP的三相交流異步電動機（5#、6#）帶動的風機冷卻，直至下一個工作周期。鋼化風壓和風量通過直流調速裝置調節直流電機轉速來實現。4臺300HP直流電機接于380V低壓母線，通過1600KVA配電變與10KV電網相連，該電機采用六脈動三相橋式可控硅整流調速。75HP的三相交流異步電動機與380V低壓母線并聯運行，配電房主接線如附圖1。

附圖1 配電房主接線及諧波測點

我公司在起動調試階段發生了5#風機使用不久燒毀，6#風機空載電流很大（145A）的事故。為查明問題的原因，我公司委托浙江省電力試驗研究所對現場低壓母線的高次諧波分量進行實測。測量結果顯示4臺直流電機在1200RPM和風門全開情況下，現場開關柜內二條母線和變電所二段母線上，電壓總畸變系數最大為15.83%和6.18%，是《電能質量-公用電網諧波》（GB/T14549-1993）國家規定允許值5%的3.17倍和1.24倍。當4臺直流電機停運時，原交流系統的背景諧波總畸變為1.31%，最大奇次1.11%，最大偶次為0.09%，遠小于國家規定允許值。由此看出，諧波源來自4臺直流調速裝置。

二、直流調速裝置諧波的產生

我公司4用臺直流電機采用速度、電流雙閉環調速系統（附圖2），該系統有兩個反饋回路，構成雙閉環。其中一個是由電流調節器ACR和電流檢測反饋環節構成的電流環，另一個是由速度調節器ASR和轉速檢測反饋環節構成的速度環。在電路中，ASR和ACR實行串級連接，即以ASR的輸出作為ACR的輸入，實現兩種作用的配合控制。速度調節器ASR和電流調節器ACR均為比例積分調節器，其輸入和輸出均設有限幅電路（圖中未畫出）。ASR的限幅值為Usim，它主要限制最大電流Idm，ACR的輸出限幅值為Ukm，它主要限制晶閘管整流裝置的最大輸出電壓Udom。

附圖2 轉速、電流雙閉環直流調速系統原理圖

晶閘管整流裝置采用六脈動三相橋式可控硅整流（附圖3），

附圖3 六脈動整流器電路圖

對附圖3而言，交流電流波形可分解為一系列諧波電流分量：

諧波電流值大約為

其中：In-n次諧波電流幅值；I1-基波電流幅值；N-諧波次數

由上式可見，注入系統的諧波是6N±1次（N為正整數），即5次、7次、11次、13次、…等等，實測結果也是這些特征諧波含量最大，和我公司情況相符。

三、諧波的危害

電網中的諧波污染常常對設備的工作產生嚴重的影響，其危害一般表現為：

1）諧波電流使輸電電纜損耗增大，輸電能電降低，絕緣加速老化，泄漏電流增大，嚴重的甚至引起放電擊穿。

2）使電動機損耗增大，發熱增加，過載能力、壽命和效率降低，甚至造成設備損壞。

3）容易使電網與用作補償無功功率的并聯電容器發生諧振，造成過電壓或過電流，使電容器組絕緣老化甚至燒壞。

4）諧波電流流過變壓器繞組，增大附加損耗，使繞組發熱，加速絕緣老化，并發出噪聲。

5）使大功率電動機的勵磁系統受到干擾而影響正常工作。

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