一、變頻器在橋式起重機(jī)上的應(yīng)用
橋式起重機(jī)變頻調(diào)速一般用在提升機(jī)構(gòu)和小車橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由變頻電機(jī)、變頻器、控制器件及線路保護(hù)開關(guān)等組成。為了防止變頻器對外界的干擾和提高電機(jī)控制的精度，在變頻器周圍配有AC／DC電抗器、制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻、濾波器等。還在起升機(jī)構(gòu)的變頻電機(jī)內(nèi)配備有光電旋轉(zhuǎn)編碼器，以提高調(diào)速精度和響應(yīng)速度。同時(shí)控制器件采用PLC與繼電器相結(jié)合，提高控制系統(tǒng)可靠性。
二、變頻器的結(jié)構(gòu)與諧波的產(chǎn)生
變頻器可分為間接和直接變頻兩大類。間接變頻將工頻電流通過整流器變成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換成可控頻率的交流電。間接變頻有三種不同形式：
?。?）用可控整流器變壓，用逆變器變頻，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合；（2）變頻器整流用斬波器，用脈寬調(diào)壓，逆變器變頻；（3）用不控整流器整流，PWM逆變器同時(shí)變頻，這種變頻器只有采用可控關(guān)斷的全控式器件（如IGBT等）輸出波形才是正弦波。
在逆變電路中，對電壓型電路輸出電壓是矩形波；電流型電路輸出電流是矩形波。矩形波中含有較多的諧波，對負(fù)載有不利影響。
三、諧波的危害
變頻器的干擾對容量大的電力系統(tǒng)影響不明顯，但對于容量小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾不可忽視，它對公用電網(wǎng)是一種污染，并對其它系統(tǒng)產(chǎn)生如下危害。
1.諧波使電網(wǎng)的元件產(chǎn)生附加諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的使用效率；大量的三次諧波流過中線時(shí)會(huì)使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。
2.諧波影響各種電氣元件的正常工作。使用變頻器的容量較大或數(shù)量較多時(shí)，產(chǎn)生的高次諧波干擾可使其它設(shè)備誤動(dòng)作。根據(jù)英國的ACE報(bào)告，各種對象對高次諧波的敏感程度如下：
?。?）電動(dòng)機(jī)，在10％～20％以下無影響；（2）儀表，電壓畸變10％，電流畸變10％，誤差在1％以下；（3）電子開關(guān)，超過10％產(chǎn)生誤動(dòng)作；（4）計(jì)算機(jī)，超過5％會(huì)出錯(cuò)。
3.諧波會(huì)引起電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而放大諧波，危害增加，甚至引起嚴(yán)重事故。
4.諧波會(huì)對臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致通信質(zhì)量降低、信息丟失、微處理器的系統(tǒng)程序運(yùn)行失控，使通訊系統(tǒng)無法正常工作。
變頻器的干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分傳導(dǎo)、電磁輻射、感應(yīng)耦合。
1.電路耦合方式。由于輸入電流為非正弦波，當(dāng)變頻器的容量較大時(shí)，將使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變，影響其他設(shè)備工作，同時(shí)輸出端產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾使直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)銅損、鐵損大幅增加，影響了電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性。顯然，這是變頻器輸入電流干擾信號的主要傳播方式。
2.感應(yīng)耦合方式。當(dāng)變頻器的輸入電路或輸出電路與其他設(shè)備的電路挨得很近時(shí)，變頻器的高次諧波信號將通過感應(yīng)的方式耦合到其他設(shè)備中。
感應(yīng)的方式又有兩種即電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)。
3.幅射方式。即以電磁波方式向空中幅射，這是頻率很高的諧波分量的傳播方式。
四、諧波的抑制
1.加裝靜止型無功補(bǔ)償裝置，以獲得補(bǔ)償負(fù)荷快速變動(dòng)的無功需求，改善功率因數(shù)，濾除系統(tǒng)諧波，減少向系統(tǒng)注入諧波電流，穩(wěn)定母線電壓。
其中以自飽和電抗型（SR型）的效果最好，其電子元件少、可靠性高、反應(yīng)速度快、維護(hù)方便，國內(nèi)變壓器廠可制造。
2.對電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1，也就是說使用理想化的無諧波污染的綠色變頻器。綠色變頻器的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負(fù)載都能使功率因數(shù)為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出功率。
3.在市電網(wǎng)中采用適當(dāng)?shù)拇胧﹣硪种浦C波，具體方法有以下幾種。
?。?）安裝適當(dāng)?shù)碾娍蛊鳌Ｗ冾l器的輸入側(cè)功率因數(shù)取決于裝置內(nèi)部的AC／DC變換電路系統(tǒng)，可利用并聯(lián)DC電抗器、電源側(cè)串聯(lián)AC電抗器的方法，使進(jìn)線電流的THDV降低30％～50％。當(dāng)變頻器使用的配電變壓器容量大于500kVA，且變壓器容量大于變頻器容量的10倍以上時(shí)，則在變頻器輸入側(cè)加裝交流電抗器。當(dāng)配電變壓器輸出電壓三相不平衡率大于3％時(shí)，變頻器輸入電流峰值很大，會(huì)造成導(dǎo)線過熱，則此時(shí)需加裝交流電抗器。嚴(yán)重時(shí)則需加裝直流電抗器。該方案價(jià)格便宜，但限制諧波的效率有限，且電抗太大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓降損失。
（2）加裝無源濾波器。將無源濾波器安裝在變頻器的交流側(cè)，無源濾波器由L、C、R元件構(gòu)成諧波共振回路，滿載時(shí)進(jìn)線中的THDV可降至5％￣10％，滿足EN61000－3－12和IEEE519－1992的要求。此措施技術(shù)成熟，價(jià)格適中，適用于所有負(fù)載下的THDV＜30％的情況。無源濾波器缺點(diǎn)是濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響，靈活性小，輕載時(shí)功率因數(shù)會(huì)降低，對某次諧波有放大的可能。
?。?）裝設(shè)有源電力濾波器。目前諧波抑制的一個(gè)重要方法是采用有源電力濾波器。它串聯(lián)或是并聯(lián)于主電路中，實(shí)時(shí)從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，無源濾波器相比具有高度可控性和快速響應(yīng)性。其特性不受系統(tǒng)影響，無諧波放大的危險(xiǎn)，國外已獲廣泛應(yīng)用。但它容量大，價(jià)格高。
?。?）采用多相脈沖整流。在條件允許或要求諧波限制在比較小的情況下，可采用多相整流的方法。
12相脈沖整流THDV大約為10％～15％，18相脈沖整流的THDV約為3％～8％，減低諧波成分，滿足國際標(biāo)準(zhǔn)要求。缺點(diǎn)是需要專用變壓器，不利于設(shè)備改造，價(jià)格較高。
?。?）使用濾波模塊組件。目前市場上有很多專用于抗傳導(dǎo)干擾的濾波模件或組件。這些濾波器具有較強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)還具有防止用電器本身的干擾傳導(dǎo)給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能。
?。?）選用D－YN11接線組別的三相配電變壓器。三相變壓器中將高壓側(cè)繞組接成三角形，低壓繞組為星形避免相電動(dòng)勢波形畸變的影響。此時(shí)，由地區(qū)低壓電網(wǎng)供電的220V負(fù)荷，線路電流不會(huì)超過30A，可用220V單相供電，否則應(yīng)以220／380V三相四線供電。
?。?）變頻器控制方式的完善。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化等高新技術(shù)發(fā)展，變頻器控制方式也有很大變化，如數(shù)字控制變頻器，變頻器數(shù)字化采用單片機(jī)MCS51或80C196MC及PLC為核心等，輔助以SLE4520或EPLD液晶顯示器等來實(shí)現(xiàn)更加完善的控制性能；單一的控制方式有著各自的缺點(diǎn)，如果將這些單一控制方式結(jié)合起來，可以取長補(bǔ)短，從而達(dá)到降低諧波、提高效率的功效。在編制軟件時(shí)適當(dāng)增加對檢測信號和輸出控制部分的軟件濾波，以增強(qiáng)系統(tǒng)自身的抗干擾能力。
橋式起重機(jī)變頻調(diào)速一般用在提升機(jī)構(gòu)和小車橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由變頻電機(jī)、變頻器、控制器件及線路保護(hù)開關(guān)等組成。為了防止變頻器對外界的干擾和提高電機(jī)控制的精度，在變頻器周圍配有AC／DC電抗器、制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻、濾波器等。還在起升機(jī)構(gòu)的變頻電機(jī)內(nèi)配備有光電旋轉(zhuǎn)編碼器，以提高調(diào)速精度和響應(yīng)速度。同時(shí)控制器件采用PLC與繼電器相結(jié)合，提高控制系統(tǒng)可靠性。
二、變頻器的結(jié)構(gòu)與諧波的產(chǎn)生
變頻器可分為間接和直接變頻兩大類。間接變頻將工頻電流通過整流器變成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換成可控頻率的交流電。間接變頻有三種不同形式：
?。?）用可控整流器變壓，用逆變器變頻，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合；（2）變頻器整流用斬波器，用脈寬調(diào)壓，逆變器變頻；（3）用不控整流器整流，PWM逆變器同時(shí)變頻，這種變頻器只有采用可控關(guān)斷的全控式器件（如IGBT等）輸出波形才是正弦波。
在逆變電路中，對電壓型電路輸出電壓是矩形波；電流型電路輸出電流是矩形波。矩形波中含有較多的諧波，對負(fù)載有不利影響。
三、諧波的危害
變頻器的干擾對容量大的電力系統(tǒng)影響不明顯，但對于容量小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾不可忽視，它對公用電網(wǎng)是一種污染，并對其它系統(tǒng)產(chǎn)生如下危害。
1.諧波使電網(wǎng)的元件產(chǎn)生附加諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的使用效率；大量的三次諧波流過中線時(shí)會(huì)使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。
2.諧波影響各種電氣元件的正常工作。使用變頻器的容量較大或數(shù)量較多時(shí)，產(chǎn)生的高次諧波干擾可使其它設(shè)備誤動(dòng)作。根據(jù)英國的ACE報(bào)告，各種對象對高次諧波的敏感程度如下：
?。?）電動(dòng)機(jī)，在10％～20％以下無影響；（2）儀表，電壓畸變10％，電流畸變10％，誤差在1％以下；（3）電子開關(guān)，超過10％產(chǎn)生誤動(dòng)作；（4）計(jì)算機(jī)，超過5％會(huì)出錯(cuò)。
3.諧波會(huì)引起電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而放大諧波，危害增加，甚至引起嚴(yán)重事故。
4.諧波會(huì)對臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致通信質(zhì)量降低、信息丟失、微處理器的系統(tǒng)程序運(yùn)行失控，使通訊系統(tǒng)無法正常工作。
變頻器的干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分傳導(dǎo)、電磁輻射、感應(yīng)耦合。
1.電路耦合方式。由于輸入電流為非正弦波，當(dāng)變頻器的容量較大時(shí)，將使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變，影響其他設(shè)備工作，同時(shí)輸出端產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾使直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)銅損、鐵損大幅增加，影響了電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性。顯然，這是變頻器輸入電流干擾信號的主要傳播方式。
2.感應(yīng)耦合方式。當(dāng)變頻器的輸入電路或輸出電路與其他設(shè)備的電路挨得很近時(shí)，變頻器的高次諧波信號將通過感應(yīng)的方式耦合到其他設(shè)備中。
感應(yīng)的方式又有兩種即電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)。
3.幅射方式。即以電磁波方式向空中幅射，這是頻率很高的諧波分量的傳播方式。
四、諧波的抑制
1.加裝靜止型無功補(bǔ)償裝置，以獲得補(bǔ)償負(fù)荷快速變動(dòng)的無功需求，改善功率因數(shù)，濾除系統(tǒng)諧波，減少向系統(tǒng)注入諧波電流，穩(wěn)定母線電壓。
其中以自飽和電抗型（SR型）的效果最好，其電子元件少、可靠性高、反應(yīng)速度快、維護(hù)方便，國內(nèi)變壓器廠可制造。
2.對電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1，也就是說使用理想化的無諧波污染的綠色變頻器。綠色變頻器的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負(fù)載都能使功率因數(shù)為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出功率。
3.在市電網(wǎng)中采用適當(dāng)?shù)拇胧﹣硪种浦C波，具體方法有以下幾種。
?。?）安裝適當(dāng)?shù)碾娍蛊鳌Ｗ冾l器的輸入側(cè)功率因數(shù)取決于裝置內(nèi)部的AC／DC變換電路系統(tǒng)，可利用并聯(lián)DC電抗器、電源側(cè)串聯(lián)AC電抗器的方法，使進(jìn)線電流的THDV降低30％～50％。當(dāng)變頻器使用的配電變壓器容量大于500kVA，且變壓器容量大于變頻器容量的10倍以上時(shí)，則在變頻器輸入側(cè)加裝交流電抗器。當(dāng)配電變壓器輸出電壓三相不平衡率大于3％時(shí)，變頻器輸入電流峰值很大，會(huì)造成導(dǎo)線過熱，則此時(shí)需加裝交流電抗器。嚴(yán)重時(shí)則需加裝直流電抗器。該方案價(jià)格便宜，但限制諧波的效率有限，且電抗太大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓降損失。
（2）加裝無源濾波器。將無源濾波器安裝在變頻器的交流側(cè)，無源濾波器由L、C、R元件構(gòu)成諧波共振回路，滿載時(shí)進(jìn)線中的THDV可降至5％￣10％，滿足EN61000－3－12和IEEE519－1992的要求。此措施技術(shù)成熟，價(jià)格適中，適用于所有負(fù)載下的THDV＜30％的情況。無源濾波器缺點(diǎn)是濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響，靈活性小，輕載時(shí)功率因數(shù)會(huì)降低，對某次諧波有放大的可能。
?。?）裝設(shè)有源電力濾波器。目前諧波抑制的一個(gè)重要方法是采用有源電力濾波器。它串聯(lián)或是并聯(lián)于主電路中，實(shí)時(shí)從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，無源濾波器相比具有高度可控性和快速響應(yīng)性。其特性不受系統(tǒng)影響，無諧波放大的危險(xiǎn)，國外已獲廣泛應(yīng)用。但它容量大，價(jià)格高。
?。?）采用多相脈沖整流。在條件允許或要求諧波限制在比較小的情況下，可采用多相整流的方法。
12相脈沖整流THDV大約為10％～15％，18相脈沖整流的THDV約為3％～8％，減低諧波成分，滿足國際標(biāo)準(zhǔn)要求。缺點(diǎn)是需要專用變壓器，不利于設(shè)備改造，價(jià)格較高。
?。?）使用濾波模塊組件。目前市場上有很多專用于抗傳導(dǎo)干擾的濾波模件或組件。這些濾波器具有較強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)還具有防止用電器本身的干擾傳導(dǎo)給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能。
?。?）選用D－YN11接線組別的三相配電變壓器。三相變壓器中將高壓側(cè)繞組接成三角形，低壓繞組為星形避免相電動(dòng)勢波形畸變的影響。此時(shí)，由地區(qū)低壓電網(wǎng)供電的220V負(fù)荷，線路電流不會(huì)超過30A，可用220V單相供電，否則應(yīng)以220／380V三相四線供電。
?。?）變頻器控制方式的完善。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化等高新技術(shù)發(fā)展，變頻器控制方式也有很大變化，如數(shù)字控制變頻器，變頻器數(shù)字化采用單片機(jī)MCS51或80C196MC及PLC為核心等，輔助以SLE4520或EPLD液晶顯示器等來實(shí)現(xiàn)更加完善的控制性能；單一的控制方式有著各自的缺點(diǎn)，如果將這些單一控制方式結(jié)合起來，可以取長補(bǔ)短，從而達(dá)到降低諧波、提高效率的功效。在編制軟件時(shí)適當(dāng)增加對檢測信號和輸出控制部分的軟件濾波，以增強(qiáng)系統(tǒng)自身的抗干擾能力。
