谐波干扰对烟厂的危害与治理

陈雷

[摘 要]随着现代技术的不断发展和实际生产应用的需要，烟厂电气设备大量使用变频、整流等技术，使得非线性负载所占比重迅速增大，谐波源越来越多，谐波干扰问题愈发严重。由此导致的变压器过热、中性线过载、电容电抗频繁烧毁、计算机系统死机等诸多问题，已经严重影响到系统和设备的正常运转。根据谐波的产生及危害，可采用增加变流装置脉动数或加装谐波滤波器的方法治理谐波干扰。

[关键词]谐波 非线性负载 变频器 整流器 滤波器

中圖分类号：C35 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）25-0145-01

引言

卷烟厂配电系统的安全稳定是企业生产正常进行的重要保障，然而，随着工业技术的不断发展，卷烟厂的用电设备中变频器、整流器等非线性负载所占比重日益增加，导致电网中的电压或电流信号波形畸变，进而引发变压器过热、中性线过载、熔断器和电子继电器的误动作等诸多问题，影响整个系统的安全运行。谐波畸变问题给卷烟工业企业的技术人员带来了严峻的挑战，谐波研究是在非线性负载不断增加的前提下，保证企业设备可靠运行并预测潜在问题的有效手段。本文通过对烟厂谐波的产生及危害的分析，提出治理谐波的办法。

1、卷烟厂的谐波源

向电网注入谐波电流或在电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源。卷烟厂的谐波源包括变频器、整流器、UPS（不间断电源）、旋转电机、荧光灯等。

1.1 变频器

随着自动化技术的发展，变频器在卷烟厂使用的范围逐步加大，变频器高次谐波带来的电磁干扰和污染问题也越来越严重。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。它是烟厂配电系统中主要的谐波源。

变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。变频器的主电路一般为交-直-交组成，在运行过程中，首先将外部输入的工频交流电源经三相全波整流桥电路变为直流电压，经过滤波电路滤波后由大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流电压，达到变频与调压的目的。变频器可根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。但是，作为非线性负载，变频器的整流和逆变过程会产生谐波。在逆变电路中，输入输出回路均可能产生高次谐波。变频器谐波对负载以及邻近电气设备均会产生干扰。

卷烟厂很多用电设备均采用变频装置，如空调设备、除尘设备、空压机、泵类、切丝机、切梗机、振动输送机、喂料机和物料提升机等。

1.2 整流器

整流器输入端的整流电路的阻抗不是一个定值，其阻抗随着外加电压的变化发生变化，导致整流器从电网吸取的电流不是正弦电流。单相整流器由整流桥和滤波电容构成。一般情况下，负载的电流由滤波电容供给，仅当正弦波的电压高于平滑电容的电压时，才会有电流流入电容和负载中，因此仅在电压峰值处产生脉冲状，这种脉冲状电流中包含了丰富的谐波成分。而三相整流器也会产生谐波电流，但是这时对应每个波峰，不是一个脉冲电流，而是两个脉冲电流。整流器常用于供电装置中，在卷烟厂的应用也很广泛，由此产生的谐波干扰不能忽视。

1.3 光灯

荧光灯在卷烟企业的办公场所随处可见，同样，它也是谐波污染源。荧光灯在工作过程中是高度非线性的，并且会产生幅值很大的奇次谐波。我们可以将荧光灯的工作过程简单描述为起始镇流器内部的磁芯电感线圈或扼流圈限制灯管中的电流的作用过程。在一个三相四线负载中，如果采用的是电磁式镇流器，则荧光灯的相电流中主要包括3次谐波、5次谐波和7次谐波；如果采用的是电子式镇流器，则荧光灯的相电流中起主导作用的是5次谐波。在应用电磁式镇流器时，中性线上3次谐波占有主导成分。

2、谐波的危害

2.1 造成保护装置或断路器误动作

谐波干扰会对断路器、漏电保护器、继电器等保护、自控装置产生干扰，造成误动作。一方面，由于电路中非线性负载的存在，会产生谐波电流导致过电流的反应，当电流超过保护装置的设定值时，继电保护会发生跳闸。另一方面，配电系统中常采用电磁继电器，这些感应式继电器在系统中属于敏感元件，容易受到高次谐波影响而产生误动作。

2.2 旋转电机的热效应

与变压器相类似，旋转电机也会受到谐波影响产生热效应。因为导线的有效电阻是随着频率的增大而增大的，所以在有效值相同的前提下，绕组导线上含有大量谐波的电流波形可能要比正弦波形的电流产生的热量多。这种热效应长期作用下去会缩短旋转电机的使用寿命。

2.3 对通讯、电子类设备产生干扰甚至损坏

随着科技发展，现代电子设备对电能质量的要求越来越高，当电源电压中包含较多谐波成分时，电路就会受到不良影响，导致计算机死机、数据丢失、系统重启等现象。由于卷烟厂采用了大量的PLC等控制系统，而谐波的频率与PLC设备的工作频率非常接近，当谐波含量过大时，特别是谐波电压含量过大时，电磁干扰会串入控制系统中，影响系统的正常运行，造成网络闪断，误动作等问题，对卷烟厂的生产造成影响。

3、谐波的治理

3.1 变流装置整流相数或脉动数的增加

当变流装置的脉动数增多时，变流装置产生的谐波次数增高，而谐波电流近似地与谐波次数成反比，因此一些次数较低、成分较大的低次谐波能够得以消除，从而减少谐波源产生的谐波电流。通过改造变流装置的结构或者利用相互间有一定移相角的变流装置，可有效减小谐波量。这种装置的缺点是结构复杂，造价增加。

3.2 针对变频器产生的谐波应对措施

由于烟厂大量使用变频器设备，而变频器属于非线性负载，因而卷烟厂谐波干扰很大程度上源自于变频器。针对变频器产生的谐波应对措施可有效减少谐波干扰。

3.2.1 增加变频器供电电源内阻抗

通常电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用，内阻抗越大，谐波含量越小，这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。因此选择变频器供电电源时，最好选择短路阻抗大的变频器。

3.2.2 串入输入电抗器

在变频器的输入电流中，频率较低的谐波分量（5，7，11，13次谐波等）所占的比重是很高的，它们除了可能干扰其他设备的正常运行之外，还因为它们消耗了大量的无功功率，使线路的功率因数大为下降。在输入电路串入电抗器后，进线电流的电流总畸变率大约降低30%～50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。

3.2.3 安装输出电抗器

在变频器到电动机之间增加交流电抗器，主要目的是减少变频器的输出在能量传输过程中线路所产生的电磁辐射。电抗器应安装在距离变频器最近的地方，尽量缩短与变频器的引线距离。

3.2.4 在系统线路中设置滤波器

滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源及电动机。为减少电磁噪声和损耗，在变频器输出侧可设置输出滤波器，为了减少对电源干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器。

3.2.5 避免干扰辐射

电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆，并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设，避免辐射干扰。

3.2.6 变频器正确的接地

正确的接地既可以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。变频器使用专用接地线，且用粗短线接地，邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开，使用短线，这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。

参考文献

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