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变频器的电能质量问题分析及解决方案

DQZHAN技术讯：变频器的电能质量问题分析及解决方案
变频器是工业电动机节能的主要手段，节能效率在30%左右，效果显著，同时，它还具有**的调速和保护功能。但是变频器是典型的非线性用电设备，使用过程中会产生大量的特征次谐波，这些谐波污染电网，对用电设备的**稳定性构成严重的威胁;同时由于畸变无功的存在，变频器综合用电功率因数比较低，严重降低了配电设备的使用效率。本文重在介绍一种对变频器进行针对性的谐波治理和无功补偿的设备。

1.前言

“十二五”时期，我国将把大幅度降低能源消耗作为适应社会主义市场经济要求的长效机制。近年来，经过国内大量变频节能项目的实施，验证了变频节能是一项提高电能高效利用的技术措施，是一项能够有力推动节能降耗持续运行的双赢节能技术。

但变频器群的大量投入带来的电能质量问题也越来越凸显，主要表现为配电系统中大量的无功功率往复、降低配电设备的使用率和大量的谐波带来的用电不稳地问题，这就要求有针对性的设备对变频器进行无功补偿和谐波治理，变频器专用滤波器应运而生。

2.变频器带来的电能质量问题

2.1.问题描述

2.1.1.变频器群工作时，变频器出现概率性的保护动作问题，继电保护误动作，PLC异常，仪表读数错误，特别是变频器负荷比例增加时，配电系统不稳定现象恶化趋势明显。

2.1.2.变频器负荷比例比较大的现场，无功补偿电容器不能有效投切，电容器容易损坏和烧毁，考核点功率因数难以持续达标。

2.1.3.随着变频器负荷的增加，原来正常使用的电缆、变压器温升明显，变压器噪音异常，配电设备的容量得不到充分的使用。

2.1.4.变频器驱动的电机发热严重，噪声尖锐，绝缘、轴承容易损坏。
2.2.电能质量数据

2.2.1.谐波数据

许多文献资料中给出的变频器THDI为30%左右，这个结果是建立在变频器内置了合适的直流电抗器的基础之上的。国产大部分品牌及部分国际品牌是未内置电抗器的，因此通常情况下变频器轻载时THDI可以达到140%以上，重载时THDI也在80%左右，如此大的谐波电流畸变率肯定会给接入的系统带来严重的谐波问题。一般弱系统在变频器负荷比例达到20%左右，强系统在变频器负荷比例达到40%左右，谐波带来的不稳定问题就会凸显。

图1：75kW变频器不串联电抗器的电流波形和频谱

表格1：某品牌75kW变频器不串联电抗器的电流频谱

表格2：某品牌15kW变频器出厂实测数据

2.2.2.功率因数数据

认为变频器功率因数很高的观念普遍存在，变频器的相移功率因数的确很高，且电力公司仅考核相移功率因数，所以会有变频器功率因数的错觉。

但是由于畸变无功的存在，功率因数引入畸变因子之后，所得出的综合功率因数是很低的。即便畸变无功功率不被考核，但是这部分无功功率在配电系统中的流动会引起线路和变压器损耗，占用线路和变压器容量，降低设备有效使用率。图2DPF代表相移无功，PF代表综合功率因数，变频器类负载实测值差距明显。

图2：90kW变频器50%负荷率时的功率情况

2.3.相关标准

2.3.1.谐波标准

和变频器相关的谐波标准有GB14549、GB17625和IEEE519、IEC61000-3。

GB14549、IEEE519体现了供电公司与电力用户之间的责任关系，供电公司使用这个标准保证公用电网的电能质量。

GB17625、IEC61000-3体现了设备制造商与设备用户之间责任关系，设备用户使用这个标准来保证采购的设备使用过程中对内不对企业造成危害，对外不为供电公司惩罚。

2.3.2.功率因数标准

水电财字第215号文件对工业用户要求的功率因数标准为不低于0.90。

变频器的无功功率由两部分组成：相移无功和畸变无功。变频器功率因数比较低的原因是畸变无功较大，综合功率因数一般为0.6~0.8。纯电容补偿不能解决畸变无功过大的问题，必须采用变频器专用滤波器来提高功率因数。
3.变频器专用滤波器的应用案例

3.1.工程现场问题描述

某陶瓷厂1台3150kVA变压器，主要为天然气站的供电。气站的气泵采用某日资品牌的变频器驱动电机。2014年春节之前没有特别异常的故障现象，只是电容器损坏比较频繁;2014年春节之后新增一些变频器，出现变频器群偶发、随机性的直流母线电压过低保护问题，严重影响生产的连续性。

用万用表测试母线电压，*小不低于375V，在变频器适应的电压范围之内。进而采用法国CA5335电能质量测试仪测试，正常生产时变压器出线侧电压为394V，见图3，电压畸变率9.7%左右，见图4;气站电房距离变压器出线柜电房100m左右，变频柜母线电压为376V，见图5，电压畸变率13.2%左右，见图6。

图3：3150kVA变压器出线侧电压波形

图4：3150kVA变压器出线侧电压畸变率

图5：气站电房变频柜母线电压波形

图6：气站电房变频柜母线电压畸变率
3.2.问题的特殊性

3.2.1.由3.1的数据可以看出，母线电压在变频器容许的运行范围之内，但是电压波形变成了平顶波。变频器直流母线主要靠波头充电，平顶波造成对直流母线的充电不足，直流母线电压过低、保护。

3.2.2.现场补偿电容损坏严重，测试发现投入的电容器流入大量的高次谐波，这些谐波加速了电容器的老化，同时恶化了系统中的谐波严重程度。

图7：流入补偿电容器电流波形及畸变率

3.2.3.由于现场24小时连续生产，改造出线柜电房普通补偿为滤波补偿不具备安装空间和操作条件。

3.2.4.变频器的相移无功很小，采用LC滤波器不能投入足够的基波容量，滤波效果难以保障。

3.2.5.变频器负载率变化范围比较大，要求滤波器在此范围内具有良好的滤波特性。

3.3.变频器电能质量问题的解决方案

本案例的现场问题很明确：变频器群大量的谐波电流馈入变压器引起严重的电压畸变，比较长的线路加剧了末端电压的损失和畸变情况，进而引起变频器直流母线电压充电不足，低电压保护。

3.3.1.传统的滤波方式有针对变压器的集中LC无源滤波和APF有源滤波。

3.3.2.本案例由于空间和生产方式的问题，集中LC无源滤波不具有安装空间和操作条件，无法实施，同时无源滤波在轻负荷时滤波效果不够理想。

3.3.3.APF有源滤波可以有效的滤除变频器的谐波，降低母线电压畸变，但是成本较高，不是*优的解决方案，同时有源滤波有比较大的有功损耗，会持续增加运行成本，不能同时解决功率因数补偿问题，也是使用方的顾虑。
3.3.4.变频器专用滤波器对单台变频器电流谐波畸变率可以限制到5%左右，在很宽的负荷率区间内都具有良好的滤波特性，同时兼顾功率因数补偿和谐波治理两个功能，体积较小，可以安装到变频柜内，可选择具有改造条件的变频器进行配套。

3.3.5.本案例*终采用部分变频器加装专用滤波器，限制谐波电流总畸变率到不影响变频器群稳定运行的方式解决了现场问题。图8为加装到变频柜内的滤波器，图9、图10为某台变频器滤波效果。

图8：现场改造后的照片

图9：5.5kW变频器90%负荷滤波前谐波电流畸变率

图10：5.5kW变频器90%负荷滤波后谐波电流畸变率

表格3：某品牌15kW变频器滤波后实测数据

表格3为某台变频器不同负荷率配套专用滤波器后的滤波效果，可见滤波器在比较宽的负荷率范围内都具有良好的滤波特性。
4.变频器专用滤波器适用的范围

变频器专用滤波器适用于所有的对电网表现为6脉波整流特性的负载。

4.1.适用负载

对电网表现为六脉波整流负载特性的用电设备有：变频器，UPS、EPS电源，工业电磁炉，化成电源，充电桩，单晶炉、多晶炉电源，淬火、透热电源，磁选设备，注塑设备等。

配套型产品可以帮助以上产品满足EMC认证要求，获得出口资格。

配套滤波器之后，原本需要12脉波整流方可适应市场要求的用电设备依然采用6脉波整流即可满足要求，甚至有更好的用电特性。

4.2.适用行业

变频器、UPS等6脉波整流负载在**，纺织，通讯，拉晶，石油，化工，医药，塑料，市政，陶瓷，空调，煤炭等行业均有大量的应用。

这些行业基本都属于高耗能企业，电能质量的优化从根本上取决于相应的行业设计院在项目投产期就提出相应的电能质量保证方案。
5.常用的滤波设备及效果对比

常用的被动性滤波方式有串联电抗器，并联LC滤波器，并联APF有源滤波器，串联SSF变频器专用滤波器，这几种方式对于变频器的电能质量问题均能够取得不同程度的改善效果。

注：Qn为滤波设备额定容量。

6.结束语(意义及建议)

对变频器类负荷就地进行谐波治理和无功补偿，是整个社会对电能质量需求的一种趋势，也是欧美等发达国家的常规做法。

随着电力电子技术在日常生活中的应用普及，电能质量问题不仅仅是电力系统中的技术问题，而且是关系到生活、生产质量的社会问题。

电能质量问题在项目实施的过程中就进行控制成本是*低的，等到出问题再实施改造一是重复建造，浪费资源，二是施工难度大，有时候局限于空间问题而不能采取*合理的方案。

就解决设备级电能质量问题来说，变频器专用滤波器是6脉波整流类负载效果*好，*经济，*具有性价比的治理设备。

变频器专用滤波器只解决了变频器对电源侧的电能质量问题，但不能解决负荷侧驱动电机的发热、噪音、绝缘和轴承加速老化问题。改善这类问题需要在变频器负荷侧进一步加装输出电抗器或者正弦滤波器。

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