有关变频器谐波电流污染程度的估算

摘要：谐波的危害1、对旋转电动机的影响；2、对变压器的影响；3、对并联电容器的影响；4、对断路器的影响；5、对电子设备的影响；6、对断电保护的影响；7、对通信线路的影响；8、其它。本文是通过估算提供一种判定手段，以利于对谐波被污染程度的进一步研究和解决。

关键词：谐波；节能

中图分类号：TU2 文献标识码：A

现代工矿企业中，由380V交流变频器启动的泵类及风机类等感应电动机调速方式已得到广泛应用，由于其生产所需物料流量和电机转数n成正比，且电机轴功率又与n3成正比。因此通过调节电机转数不仅可快捷方便地调节生产物料流量，而且节能效果十分可观。

但是，由于目前低压交流变频器基本采用三相桥式整流——逆变方式，对所供电的变

压器来说，它实际上就是个六脉波整流的，以产生5次7次等谐波为主的谐波发生源，尽管

变频器本体要求有谐波治理功能，但随着制造厂家和变频器接入总容量的不同，这一谐波源

注入的谐波量也不同。根据国标GB/T14549—1993规范规定，电压为380V供电系统内注入

公共点的谐波电流允许值如下：

基准容量Sj=10MVA时380V电网各次谐波电流允许值（表一）

谐波次数 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 17

允许电流Igh(A) 78 62 39 62 26 44 19 21 16 28 13 24 11 12 18

如果注入的谐波电流超出上述允许值，将对连接于同一配电系统内的用电设备造成严重不良影响。

以某商场变电所为例：变电所内一台10/0.4KV，容量为2000KVA变压器，同时供电给15台总容量约1200KW的380V变频器调速循环水泵，尽管均在额定负载下正常运行，但变压器和电动机却温升异常高，特别是功率因数补偿用用电容器柜，不仅过热，甚至无法投入运行。经现场实测，发现5及7次以上谐波电流超标1至2倍，后经谐波治理，才消除上述异常现象。

综上所述，对电气工程设计而言，能够通过计算，预先判定车间变压器接入多大容量的变频器才不致使注入的谐波电流超标？一旦超标又怎样在补偿功率因数的同时进行谐波治理？而不是在生产时出现问题后才补救！

本文提出的计算方法，经工程实例验证，在回答上述问题方面作为判据应用是可行的（并不是精确的谐波计算），具体内容如下：

1、三项系统中应计算的各次谐波

三相系统中由于共对称性，偶次谐波被抵消而不存在，3及3的倍数谐波所构成的零序谐波在线电压中不存在；只有3k+1次构成的正序谐波7、13、19……次和3k-1构成的5、11、17……次负序谐波，为方便应用，只对三相变频器注入的5、7、11、13、17次谐波电流进行估算，亦满足工程要求。

2、按照国标GB/T14549—1993的规定值（表一）折算变压器谐波电流允许值

现以实例说明:有一台10/0.4KV，容量S=1600KVA，短路阻抗Δu%=6%的变压器，已有其它380V负荷470KW，自然功率因数0.78，另外供电给变频器调速电机总容量680KW，要求

将变压器0.4KV侧提高到0.9以上，并判别谐波电流是否超标和采取治理措施。

（1）供电系统图：

（2）1600KVA变压器的谐波电流允许值：

变压器最大短路容量Sk=S/Δu%=1600/0.06=26.7MVA

各次谐波电流允许值按下式折算

Ib·h=Sk·IG·h/Sj

式中Sj——表（一）基准容量10MVA

IG·h——表（一）各次谐波电流允许值

按上式折算结果如下：

1600KVA 0.38KV侧谐波电流允许值表（二）

谐波次数 5 7 11 13 17

电流允许值Ib·h（A） 165.54 117.48 74.76 64.08 48.06

注：为简化计算，只取5~17次谐波即可

（3）变压器谐波电流允许值的总有效值：

Ib·e=

=

=161A

3、计算实际接入的变频器总谐波电流有效值

（1）变频器总接入容量PF=680KW

总有效电流IF=PF/U=680/x0.38=1033A

则总基波电流IFj=IF/1.05=1033/1.05=984A

（注：在三相六脉波整流电路中，可近似取有效电流等于1.05倍基波电流值）

由上诉基波电流值可推算出5、7、11……次谐波电流值，见表（三）

总功率为680KW的变频器各次谐波电流值表（三）

谐波次数 5 7 11 13 17

电流允许值Ib·h（A） 196.8 140.6 89.5 75.7 57.9

（2）计算实际接入的变频器总谐波电流有效值：

IF·e=

=275A

4、判定结果和对策

（1）判定结果：

根据上述计算，1600KVA变压器允许输入的谐波电流有效值为161A,而接入系统的变频器产生的总谐波电流有效值为275A，超出114A，判定结果为谐波电力超标。

（2）对策：

按照实例要求，用电负荷功率因数应提高到0.9以上，并对超标谐波电流进行治理。

鉴于技术和经济综合考量，用电负荷中的纯无功功率可采用移相电容器作为动态补偿：

例题中P=470KW,COSφ=0.78。目标值取COSφM=0.92

则补偿的电容器无功功率 Qc=470（tgφ-tgφm）

=470（0.8-0.426）

=176kvar

而由变频器谐波电流有效值产生的这种畸变功率则可用技术上比较成熟的静止无功发生器（SVG）治理，但由于其价格昂贵，所以只对超标部分谐波畸变功率补偿即可：

超标部分电流：

I=IFe-Ib·e

=275A-161A

=114A（忽略IFe和Ib·e的相位差）

则静止无功发生器（SVG）容量为

QSVG=UI

= x 0.38KV X 114A

=75KVAR

这样针对不同补偿对象采用不同解决方案，既稳妥可靠，又经济实用。

5、结尾语

上述计算方法仅为电气工程设计中就接入变压器的低压变频器总量是否会造成谐波电流超标，提供一种判定手段，以利于对谐波污染程度的进一步研究和解决。

参考文献：

《电能质量公用电网谐波》GB/T14549—1993

《工业与民用配电设计手册》第三版