引言

我國(guó)《節(jié)約能源法》第39條規(guī)定：“將變頻調(diào)速列入通用節(jié)能技術(shù)加以推廣。”在工礦企業(yè)的眾多電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，大多采用異步電動(dòng)機(jī)作為拖動(dòng)動(dòng)力。在電力拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速節(jié)能改造工程中，除優(yōu)化拖動(dòng)系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)外，仍需運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造。實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，這是發(fā)明異步電動(dòng)機(jī)百年以來(lái)人們翹首以待的“世紀(jì)之夢(mèng)”。變頻器具有高效節(jié)能、調(diào)速精度高、范圍寬的特性，可實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)。同時(shí)還能有效地改善拖動(dòng)設(shè)備的機(jī)械性能，這對(duì)使用面廣、數(shù)量多的異步電動(dòng)機(jī)，必將會(huì)取得很好經(jīng)濟(jì)效益。

但變頻器是非線性設(shè)備，使用大功率二級(jí)管整流，大功率晶體管逆變，運(yùn)行中必將會(huì)引起正弦波的畸變而產(chǎn)生高次諧波。當(dāng)變頻器向電動(dòng)機(jī)輸入頻率可變的電流時(shí)，必然會(huì)將含有頗豐的高次諧波電流輸入電動(dòng)機(jī)而造成不良影響。為此，必須通過(guò)采取一系列的諧波治理措施，將諧波造成影響降到最低，使變頻調(diào)速的節(jié)能技術(shù)得到推廣應(yīng)用，從而可取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。

一、變頻調(diào)速的優(yōu)越性

1.變頻調(diào)速特性好

實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，是發(fā)明異步電動(dòng)機(jī)百年以來(lái)人們翹首以待的“世紀(jì)之夢(mèng)”。變頻器通過(guò)不懈改進(jìn)、提高和完善，其調(diào)速工作特性毫不遜色，即與直流調(diào)速系統(tǒng)相比較，某些性能還將超過(guò)直流調(diào)速。由于頻率本身是數(shù)字量，即可實(shí)現(xiàn)不需外部反饋情況下而獲得很硬的機(jī)械特性。同時(shí)還具有調(diào)速精度高、范圍寬、起動(dòng)平滑、性能穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，并易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。

2.變頻調(diào)速系統(tǒng)故障率低

異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，可在不更換原電動(dòng)機(jī)條件下，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)改造，即在電動(dòng)機(jī)與電源之間接入相配套的變頻器，而得到最佳調(diào)速效果。其故障低是得益于異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠，而轉(zhuǎn)子回路內(nèi)電流不需從外部引入，故出現(xiàn)故障幾率很低。

3.變頻調(diào)速可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)

異步電動(dòng)機(jī)若采用全壓直接起動(dòng)，其起動(dòng)電流是額定電流的5-7倍，這么大的起動(dòng)電流將會(huì)對(duì)拖動(dòng)設(shè)備或電網(wǎng)造成沖擊。而采用變頻調(diào)速起動(dòng)，其起動(dòng)電流一般不會(huì)超過(guò)額定電流的1.5倍，而且起動(dòng)平滑穩(wěn)定無(wú)沖擊，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)真正意義上軟起動(dòng)。

4.變頻調(diào)速會(huì)延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命

變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載中使用，不僅能按負(fù)載運(yùn)行功能要求實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速條件，而且起動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)和機(jī)械噪聲很小。變頻器用于一般機(jī)械設(shè)備的調(diào)速，在起動(dòng)、停止、加速、減速等工況下，均不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊，故可延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的使用壽命。

5.變頻器用于輸送機(jī)調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)矩平滑

變頻器用于輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，在負(fù)載下加、減速時(shí)，也具有性能良好的軟起動(dòng)效果，并且轉(zhuǎn)矩平滑。尤是在重載下起動(dòng)時(shí)，可平穩(wěn)地提升輸出轉(zhuǎn)矩，這是普通減速起動(dòng)器所無(wú)法達(dá)到的效果。

二、變頻器產(chǎn)生諧波機(jī)理

變頻器是非線性設(shè)備，其主電路一般都采用交—直—交電壓逆變方式，外部輸入的380V50Hz工頻電源，經(jīng)三相橋式電路整流成直流電壓，再電容濾波及大功率晶體管逆變?yōu)轭l率可變的交流電流輸出，為需要調(diào)速的電動(dòng)機(jī)提供頻率可變的電源。根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式n=[(60f)/p](1-s)可知，將輸入頻率可變的電流，即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

變頻器的整流回路是由大功率=極管組成電路，輸入電流波形為不規(guī)則的矩形波，其波形按傅立葉級(jí)數(shù)進(jìn)行分解，除了得到與電源基波頻率相同的分量外，還有一系列大于電源基波頻率分量的高次諧波。

諧波實(shí)際上是一種干擾量，系指x一個(gè)周期電氣量的非正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。每個(gè)諧波都有不同的頻率、幅值與相角，高次諧波頻率與基波頻率的比值稱為諧波次數(shù)，有偶次諧波與奇次諧波之分。一般講奇次諧波造成危害比偶次諧波更大，在三相整流負(fù)載中出現(xiàn)諧波為3、5、7、 11、13……次諧波。

同理，在逆變輸出回路中，輸出電流信號(hào)受載波信號(hào)調(diào)制而變成脈沖波形，其波形按傅立葉級(jí)數(shù)進(jìn)行分解，也分得基波和各次諧波。據(jù)此，變頻器運(yùn)行中必然會(huì)產(chǎn)生高次諧波，當(dāng)頻率可變的并含有頗豐高次諧波交流輸入配套電動(dòng)機(jī)，必將對(duì)異步電動(dòng)機(jī)造成不良的影響。

三、變頻器產(chǎn)生諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)影響

異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛使用。對(duì)異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造時(shí)，可不更換原電動(dòng)機(jī)，而在電動(dòng)機(jī)與電源之間串入相配套型號(hào)變頻器，即可實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但由于變頻器是非線性設(shè)備，運(yùn)行中必然會(huì)產(chǎn)生高次諧波而對(duì)電動(dòng)機(jī)造成不良影響。

按常規(guī)設(shè)計(jì)的異步電動(dòng)機(jī)，均設(shè)計(jì)在額定頻率和額定電壓下運(yùn)行的，只有瞞住運(yùn)行條件才能確保電動(dòng)機(jī)軸上輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率達(dá)到額定值。然而在變頻調(diào)速工況下運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，其輸入電流的頻率是個(gè)變量，通過(guò)改變輸入電流的頻率即可實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但由于輸入電流頻率的變化，故對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出的軸功率會(huì)造成影響。所以對(duì)不同拖動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)容量的選擇上，應(yīng)考慮這種影響而有一定的容量裕度。

通常使用中異步電動(dòng)機(jī)，均在額定功率和允許溫升條件下運(yùn)行，其溫升是不容易超過(guò)規(guī)定值。但在變頻調(diào)速工況下運(yùn)行的異步電動(dòng)機(jī)，由于輸入電流含有頗豐的高次諧波，因?yàn)闀?huì)因諧波電流產(chǎn)生附加損耗。同時(shí)因諧波電流影響，而使輸出軸功率有所下降，運(yùn)行效率降低，溫升增高等異常情況。異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，若發(fā)生溫升增高必將導(dǎo)致線圈絕緣的揮發(fā)和降解加速，介電強(qiáng)度和體積電阻率下降，還會(huì)造成絕緣的炭化而喪失絕緣功能。另外，諧波電流產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)，相對(duì)于轉(zhuǎn)軸是高速度旋轉(zhuǎn)的，它產(chǎn)生的軸電勢(shì)較高，會(huì)擊穿軸承的油膜，使軸電流流過(guò)軸承而造成損害。

異步電動(dòng)機(jī)的線圈間存在著分布電容，高次諧波電壓輸入時(shí)，使各線圈之間的電壓分擔(dān)不均勻，導(dǎo)致承擔(dān)高電壓線圈絕緣老化加速，從而使首匝線圈絕緣損傷。在變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)中，變頻器輸出電壓的幅值是額定電壓的3 倍，再加上變頻器電壓變化率(du/dt)很高，它所引起的振蕩使電動(dòng)機(jī)線圈收到應(yīng)力變得更大，導(dǎo)致線圈絕緣老化。在開(kāi)關(guān)頻率很高工況下，變頻器和電動(dòng)機(jī)之間連接電纜，若是長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生駐波，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)端電壓的升高，這種高電壓也會(huì)加速線圈絕緣的老化，而影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

四、變頻器產(chǎn)生諧波的治理措施

1.隔離措施

隔離是電磁兼容的重要技術(shù)措施之一，系指從電路上把干擾源和易受干擾元件隔開(kāi)，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，通常在電源與放大電路之間使用隔離變壓器以消除傳導(dǎo)干擾，其次，將不同信號(hào)線隔開(kāi)鋪設(shè)，或采用屏蔽雙絞線，或各自單獨(dú)走線，使信號(hào)線不與電力線平行走線。

2.屏蔽措施

屏蔽是電子設(shè)備電磁兼容的重要措施，它能有效地抑制通過(guò)空間傳播的各種干擾源，既可阻止或減少電子設(shè)備內(nèi)的輻射電磁能量對(duì)外傳播，又可阻止或減少外部輻射對(duì)電子設(shè)備的影響。根據(jù)屏蔽機(jī)理，變頻器常用的是電場(chǎng)平布，即是采用金屬導(dǎo)體的外殼將變頻器屏蔽，不讓其干擾源泄漏。同時(shí)變頻器的控制線也要屏蔽，并做好屏蔽層的良好可靠接地。

3.濾波措施

濾波既可抑制從電子設(shè)備輸出的干擾源，又能抑制從電源引入的干擾源。為減少電磁噪聲，可在變頻器輸出側(cè)設(shè)置輸出濾波器;為減少電源的干擾，可在變頻器輸入側(cè)設(shè)置輸入濾波器，同時(shí)濾波器外殼應(yīng)和變頻器外殼牢固連在一起并可靠接地，其目的是建設(shè)接觸電阻，提高濾波效果。

另外，為抑制變頻器輸入側(cè)諧波電流，改善功率因數(shù)，可在輸入端串聯(lián)交流電抗器;為改善變頻器輸出電流質(zhì)量，可在輸出側(cè)串聯(lián)交流電抗器。

4.接地措施

接地分為保護(hù)接地和工作接地，其作用均為抑制干擾源，提高電子設(shè)備抗電磁干擾的能力。變頻器的正確可靠接地是抑制噪聲和減少干擾主要措施，如將變頻器與電源分開(kāi)接地，其抑制干擾效果更好。

變頻器的接地，先在機(jī)柜內(nèi)將各種接地線匯于柜內(nèi)的匯流排，然后用粗銅線接到公共接地體上。但應(yīng)禁止與電源、避雷器的接地線連在一起，接地線之間的絕緣應(yīng)良好可避免接地干擾。

5.其他措施

為避免長(zhǎng)電纜產(chǎn)生駐波，變頻器與電動(dòng)機(jī)之間連接電纜長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，更不能將過(guò)長(zhǎng)的電纜盤成圈狀放在機(jī)柜內(nèi)。變頻器進(jìn)線電纜應(yīng)套上長(zhǎng)約1.5~2米的金屬蛇皮管，蛇皮管外殼要可靠接地。

另外，對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)選用不易輸出高反射電壓的變頻器，以提高運(yùn)行效率。若有更換拖動(dòng)系統(tǒng)的原電動(dòng)機(jī)時(shí)，最好選用專用的變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

五、結(jié)束語(yǔ)

《節(jié)約能源法》已將變頻調(diào)速列入通用節(jié)能技術(shù)加以推廣。但變頻器是非線性設(shè)備，運(yùn)行中必將會(huì)引起正弦波形畸變而產(chǎn)生高次諧波，這不僅是電網(wǎng)“公害”，而且還將對(duì)電氣設(shè)備造成危害并增加損耗。只有采取一系列的諧波治理措施，變頻調(diào)速的優(yōu)越性必將得到更好發(fā)揮，為變頻調(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)用節(jié)能降耗開(kāi)辟新境界。