沈龍大

    男，教授級(jí)高工，從事電力電子技術(shù)應(yīng)用、交流直流電氣傳動(dòng)及自動(dòng)化、電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理、大功率冶金及電化學(xué)電解電源等工作。



    摘  要：介紹了非典型電力負(fù)荷（交-交變頻器驅(qū)動(dòng)負(fù)荷）的無(wú)功和諧波及對(duì)策。

    關(guān)鍵詞：非典型；電力負(fù)荷；交-交變頻器；無(wú)功；諧波；對(duì)策

    Abstract: This paper analyzes the affect measures for reactive and harmonics in atypical power load (cycloconverter drive load).

    Key words: Untypical; power load; cycloconverter driver; reactive; harmonics; affect measures

    典型的電力負(fù)荷以負(fù)荷性質(zhì)可分為電感性負(fù)荷、電阻性負(fù)荷、電容性負(fù)荷，電感性負(fù)荷如變壓器、電抗器、電機(jī)、感應(yīng)線圈、鎮(zhèn)流器、扼流圈等，通常以50Hz工頻電源驅(qū)動(dòng)，其電壓相位角具有電流滯后電壓，產(chǎn)生感性無(wú)功功率，功率因數(shù)較低，所以產(chǎn)生的諧波含量較小；電阻性負(fù)荷如白熾燈、電弧、氯堿電解設(shè)備、阻性礦熱爐等，理論上其電壓電流相位角為同相位，功率因數(shù)很高，接近1，不產(chǎn)生高次諧波；電容性負(fù)荷如電容器組、無(wú)功補(bǔ)償裝置，其電壓電流相位角為電流超前電壓，產(chǎn)生容性無(wú)功功率，與系統(tǒng)容易產(chǎn)生諧波放大和諧振。以供電電源類型可分為工頻交流供電負(fù)荷和直流電源供電負(fù)荷。工頻交流電源供電負(fù)荷如各類交流電動(dòng)機(jī)、樓宇辦公及家用電器等，采用50Hz交流電直接恒速驅(qū)動(dòng)和變頻器調(diào)速驅(qū)動(dòng)或晶閘管調(diào)壓控制；直流電源供電負(fù)荷如直流電動(dòng)機(jī)，是通過(guò)二極管或晶閘管整流裝置將50Hz交流電變換成直流電，或采用蓄電池給負(fù)荷提供直流電源。

    典型電力負(fù)荷的電力參數(shù)在理想條件下具有規(guī)律性，容易被人們認(rèn)識(shí)和控制，對(duì)其產(chǎn)生的無(wú)功功率、高次諧波等問(wèn)題也容易被解決，如直流電動(dòng)機(jī)采用6脈波或12脈波變流器供電，其產(chǎn)生的高次諧波可用來(lái)計(jì)算，諧波電流含量可用來(lái)計(jì)算。對(duì)6脈波系統(tǒng)理論上主要產(chǎn)生5、7、11、13次等特征諧波，對(duì)12脈波系統(tǒng)理論上主要產(chǎn)生11、13、17次等特征諧波，各次諧波電流含量小于20％、14％、9％、7.5％等，功率因數(shù)為0.65左右。根據(jù)上述典型的諧波次數(shù)及含量、系統(tǒng)功率因數(shù)，可提出較正確的解決方案。

    非典型電力負(fù)荷是指在非理想條件下或在供電電源和用電負(fù)荷之間增加中間環(huán)節(jié)而產(chǎn)生非典型的電力參數(shù)，如交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)、交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)、中頻加熱爐等，有的產(chǎn)生非特征諧波和旁頻，有的功率因數(shù)很高，高次諧波電流含量很大，給采用無(wú)源濾波器技術(shù)來(lái)解決問(wèn)題帶來(lái)很大麻煩。采用有源濾波器當(dāng)然是最理想的解決方案，但是一次投資成本太高，在目前多數(shù)用戶難以接受。

   1 交-交變頻器調(diào)速驅(qū)動(dòng)負(fù)荷的無(wú)功和諧波

   1.1 概述

    進(jìn)入21世紀(jì)，在各行各業(yè)傳動(dòng)領(lǐng)域中已全面應(yīng)用變頻器調(diào)速節(jié)能時(shí)代，交-交變頻器為直接變頻，是將50Hz工頻交流電直接變換成頻率可變的交流電，具有效率高，過(guò)載能力強(qiáng)，耐負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)，輸出電壓電流為正弦波，低速特性好等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于低速大容量的鋼廠初軋機(jī)、低頻輸入輸出輥道、礦山提升機(jī)等場(chǎng)所。

    1.2 交-交變頻器的原理結(jié)構(gòu)

    交-交變頻器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。 

               

                      圖1   交-交變頻器的主電路結(jié)構(gòu)

    有一臺(tái)四繞組或三臺(tái)雙繞組整流變壓器供電，三組反并聯(lián)連接的晶閘管整流橋式整流器構(gòu)成，一般為6脈波變流器可以看成是由三組直流可逆系統(tǒng)組成。通過(guò)余弦交叉相位控制原理，輸出三相頻率可控的正弦波電壓、正弦波電流。

    1.3 交交變頻器驅(qū)動(dòng)負(fù)荷的諧波分析

    由交交變頻器固有的電路結(jié)構(gòu)和相位控制機(jī)理所決定，其存在輸入功率因數(shù)低，注入電網(wǎng)的諧波豐富，除在理想的條件下，存在特征諧波，諧波電流含量大外，還存在直流分量。同時(shí)存在一定含量的間諧波（旁頻）分量。包含高次諧波的拍頻分量，為輸入頻率和輸出頻率之和或之差，其表達(dá)式如式（1）所示。

    6脈波時(shí)輸入電流中的諧波頻率為及

    12脈波時(shí)輸入電流中的諧波頻率為 （1）

    式中為注入電網(wǎng)的諧波頻率，為電網(wǎng)頻率50Hz，為交交變頻器輸出頻率，通常為0～25Hz。輸出電壓中的諧波頻率為，其中P=1、2、3…，n為0和正整數(shù)1、2、3…

    交交變頻器輸入電流的頻譜與輸入和輸出頻率有關(guān)，設(shè)變頻器的輸出電流為 （2）

    式中為輸出電流有效值，為輸出電流角頻率，為輸出電流相對(duì)于輸出電壓零點(diǎn)初相位角。

    交交變頻器的輸入電流如式（3）所示。

     （3）
    可以看出交交變頻器注入電網(wǎng)的電流中的諧波頻率和含量。

    由上分析可見，交交變頻器驅(qū)動(dòng)負(fù)荷所產(chǎn)生諧波次數(shù)、諧波電流值、諧波含有率與輸入電流頻率、變流器結(jié)構(gòu)、輸出電壓、輸出頻率、變流器相數(shù)、負(fù)荷電流大小有關(guān)，由于交交變頻器的相控觸發(fā)滯后角受“余弦交叉”調(diào)制，，其中，為輸出正弦波電壓幅值與輸出的最大幅值之比。


    使輸出電壓接近正弦波，由于采用相位控制，輸入端需要提供滯后的無(wú)功電流，造成交交變頻器的輸入功率因數(shù)低，同時(shí)存在移相重迭角、觸發(fā)移相脈沖的不對(duì)稱和電壓調(diào)制系數(shù)、輸入電流受到輸出波形的調(diào)制等因素影響，造成輸入電流中不僅含有典型變流器中的特征諧波，其中k=1、2、3…，P為整流脈波數(shù)，主要存在5、7、11、13次等特征諧波，而且含有與輸出頻率有關(guān)的非特征諧波。存在旁頻諧波分量。由于采用“余弦交叉”控制機(jī)理，使交交變頻器的輸出頻率小于25Hz變化。

      表1   850軋機(jī)交交變頻器驅(qū)動(dòng)輸入電流中各種頻率時(shí)的諧波電流值
      

  

    表1中負(fù)荷以2倍沖擊計(jì)算，變頻器的輸入額定電流為220A*2＝440A，可計(jì)算出不同頻率時(shí)的諧波電流值。

    表2 表示電機(jī)工作在基速以下時(shí)的諧波電流（基波電流為440A）。

    表3 表示電機(jī)工作在基速以上時(shí)的諧波電流（基波電流為440A）。

    2 某鋼廠850初軋機(jī)交交變頻器驅(qū)動(dòng)的功率因數(shù)及諧波分析

    以某鋼廠軌梁850初軋機(jī)采用交交變頻器調(diào)速驅(qū)動(dòng)，整流變壓器額定容量為5400kVA，額定電壓為kV負(fù)荷交流同步電動(dòng)機(jī)額定容量為2500kW*2，額定電壓為1650V，額定電流為980A。

    850軋機(jī)同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍為0～100/200rpm，相應(yīng)交交變頻器的輸出頻率＝0~6.67/13Hz，在基速以下（N<100rpm），其電壓調(diào)制系數(shù)r正比于轉(zhuǎn)速或變頻器輸出頻率，變頻器額定輸入電流為220A，2倍沖擊時(shí)為440A，在基速以上（N>100rpm），變頻器額定輸入電流為220A，計(jì)算出變頻器輸入電流中的各種諧波頻率時(shí)的諧波電流值，如表1所示。

    由表1可見，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在基速No以下時(shí)，變頻器輸入電流中的諧波電流的頻率主要分布在250、350、650Hz范圍，如表2所示。在基速以上時(shí)，諧波電流的頻率比低速時(shí)要寬，且分布在其整數(shù)次諧波的左右，即“旁頻”，如表3所示。

    大容量交交變頻驅(qū)動(dòng)的軋機(jī)負(fù)荷，由于晶閘管在換相過(guò)程中吸收大量的無(wú)功功率，其大小隨晶閘管相位控制角的變化而變化，變換頻率在基速以下，變頻器的功率因數(shù)越低，如表4所示。

   表4  表示不同頻率時(shí)的功率因數(shù)

   
    交交變頻器的輸入電流諧波含量隨輸出電壓的升高而減小，在基速以下各次諧波電流含量隨升速而降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)諧波電流含量基本不變。

    表5表示輸入電流諧波含有率隨交交變頻器輸出電壓變化規(guī)律。

    表5  輸入電流中諧波含有率隨交交變頻器輸出電壓的變化規(guī)律

    

    整流變壓器一、二次側(cè)中諧波電流含量與接線方式有關(guān)。在多臺(tái)交交變頻器工作時(shí)，適當(dāng)選擇供電變壓器的連接組別，可降低低次諧波電流，使電網(wǎng)電流畸變率、電壓畸變率減小。

    3 對(duì)交交變頻器驅(qū)動(dòng)的功率因數(shù)低、諧波污染的對(duì)策

    3.1 優(yōu)化和改善交交變頻器結(jié)構(gòu)

    （1）交交變頻器功率變換器件采用半控型晶閘管（SCR）和自關(guān)斷器件直接并聯(lián)的混合型主回路結(jié)構(gòu)，如圖2所示。同時(shí)給晶閘管和GTO控制脈沖，同時(shí)觸發(fā)，晶閘管以電流自然換流為滯后功率因數(shù)，GTO（IGBT）以自身?yè)Q流為超前功率因數(shù)，以提高交交變頻器功率因數(shù)。
                  

                                    圖2   混合型交交變頻器

    （2）供電變壓器的多重化，使輸出波形接近正弦波，以減小高次諧波，減小諧波含量，如圖3所示。
                   
                                     圖3   多重化交交變頻器

    （3）多臺(tái)交交變頻器組合運(yùn)行時(shí)，優(yōu)化變壓器繞組接線方式，以減小低次諧波含量。

    （4）采用正弦波脈寬調(diào)制控制技術(shù)（SPWM），以減小高次諧波。

    （5）采用有環(huán)流控制技術(shù)，以提高交交變頻器的輸出頻率接近工頻。

    4 增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償及諧波濾波裝置

    針對(duì)交交變頻器存在功率因數(shù)低，高次諧波分量嚴(yán)重且存在旁頻等問(wèn)題，擬在高壓側(cè)或在整流變壓器二次側(cè)加無(wú)功補(bǔ)償及諧波濾波裝置。具無(wú)功補(bǔ)償和諧波濾波功能，要求補(bǔ)償裝置具有快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能，通常在高壓側(cè)設(shè)置SVC-TCR動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)或在變壓器的二次側(cè)設(shè)置低壓動(dòng)態(tài)SVC-TSC補(bǔ)償裝置，濾波器為3、5、7、11、13次，二階高通濾波器，以吸收特征諧波及旁頻，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高功率因數(shù)，高壓側(cè)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)如圖4所示。

                 

                            圖4   SVC-TCR動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)原理圖

    5 應(yīng)用實(shí)例效果

    某鋼廠中板軋機(jī)為交交變頻器驅(qū)動(dòng)交流同步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，電機(jī)功率為5000kW，最大有功功率6084kW，最大無(wú)功功率為9018kvar，功率因數(shù)低，小于0.56，除含有大量3、5、7、11、13次特征諧波（I5 次為115.8A，I7 次為52.8A，I11 次為31.2A，I13 次為19.2A等均超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)），還含有大量旁頻諧波；給供電電網(wǎng)造成較大危害，在6kV系統(tǒng)采用了SVC-TCR無(wú)功補(bǔ)償諧波濾波裝置，F(xiàn)C設(shè)置3、5、7、11次二階高通濾波器，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償采用TCR系統(tǒng)，F(xiàn)C容量分別為：3次為1.2Mvar，5次為4.2Mvar，7次為3Mvar，11次為1.8Mvar，TCR容量為8.5Mvar。

    裝置投入運(yùn)行后取得了顯著效果，如表6所示。

               表6   濾波器投運(yùn)前后的諧波電流等參數(shù)對(duì)比表

              

    參考文獻(xiàn)：

    [1] 王兆安等.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償(第二版). 機(jī)械工業(yè)出版社，2005，10.

    [2] PELLY B R..Thyristor phase-controlled converters and cycloconverters[M].New York:Wiley,1971.

    [3] K.S.Smith.L.Ran Input current Harmonic Analysis of pseudo 12-pluse 3-phase to 6-phase cycloconverters. In: IEEE Tran. On PowerElec., 1996,11(4 ).

    其他作者：

    沈達(dá)鵬，工程師，電力自動(dòng)化專業(yè)，從事工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，主持完成首都機(jī)場(chǎng)T3航站托盤自動(dòng)回收項(xiàng)目、北京南站樓宇自動(dòng)化項(xiàng)目、多項(xiàng)冶金業(yè)轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化項(xiàng)目、高爐自動(dòng)化項(xiàng)目、燒結(jié)自動(dòng)化項(xiàng)目等工作。

    張偉華，2002年至今一直從事無(wú)功補(bǔ)償及諧波濾波等電氣設(shè)備的方案設(shè)計(jì)及機(jī)械設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)工作。參與、組織過(guò)多次重要產(chǎn)品的提高、升級(jí)工作。從事此工作以來(lái)，設(shè)計(jì)過(guò)幾百項(xiàng)無(wú)功補(bǔ)償及濾波項(xiàng)目。