磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)的諧波測(cè)試與治理

孟凡菲 芮彬

摘要：簡(jiǎn)要介紹了磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)諧波產(chǎn)生的原因及諧波危害，闡述了無(wú)源諧波濾波器及有源諧波濾波器的工作原理，并通過(guò)舉例說(shuō)明了增加諧波濾波器治理磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)諧波污染的效果。

關(guān)鍵詞：磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī);諧波;諧波濾波器

1 概述

磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)是將磁軸承技術(shù)和高速永磁同步電機(jī)技術(shù)融入傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)中所形成的一種高效節(jié)能環(huán)保的新型鼓風(fēng)機(jī)。磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)包括高速永磁同步電機(jī)、磁軸承、專用高速變頻器、磁軸承控制器、葉輪、蝸殼、放空閥及其他輔助器件。其中，專用高速變頻器以及磁軸承控制器的執(zhí)行部件是二極管整流橋、IGBT、MOSFET等半導(dǎo)體非線性器件。這些半導(dǎo)體非線性器件的使用會(huì)產(chǎn)生大量高低次諧波，尤其是使用二極管開關(guān)器件進(jìn)行的6脈波整流所造成的諧波對(duì)電網(wǎng)造成了嚴(yán)重污染[1]。因?yàn)?脈波整流技術(shù)成熟，成本低，便于實(shí)現(xiàn)，所以大多數(shù)變頻器采用此種技術(shù)。

諧波會(huì)產(chǎn)生以下不良影響：（1）導(dǎo)致線路中變壓器及電纜過(guò)熱，加速絕緣老化，壽命縮短;（2）影響電子電氣設(shè)備正常運(yùn)行，比如諧波使電子顯示器和照明設(shè)備出現(xiàn)閃爍，使繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)作，使測(cè)量計(jì)量設(shè)備產(chǎn)生誤差或誤讀數(shù);（3）可能引起系統(tǒng)諧振，造成三相電流不平衡，導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)或損壞。諧波治理最基本的方法有兩個(gè)：（1）裝設(shè)諧波濾波器補(bǔ)償濾波，這對(duì)各種諧波源均適用;（2）對(duì)諧波源進(jìn)行改進(jìn)，使其不產(chǎn)生諧波，這種方法只適用于諧波源是電力電子換流裝置（比如變頻器）的場(chǎng)合，這種方法對(duì)諧波源改動(dòng)較大，成本較高[2]。本文從裝設(shè)諧波濾波器角度，闡述了無(wú)源諧波濾波器及有源諧波濾波器的原理，并通過(guò)舉例說(shuō)明增加諧波濾波器治理磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)諧波污染的效果。

2 磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)的諧波測(cè)試與治理

本文以150 kW磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)為被測(cè)對(duì)象，分別對(duì)其本身及加裝的諧波濾波器進(jìn)行諧波測(cè)試，測(cè)試儀器為示波器和電能質(zhì)量分析儀。

2.1 ? ?150 kW磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)額定工況諧波測(cè)試

磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況：電流205 A左右，轉(zhuǎn)速22 000 r/min左右，測(cè)試結(jié)果如圖1、圖2所示。

從圖1可以看出，該磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)的電壓總諧波畸變率THDu為3.9%，電流總諧波畸變率THDi為31.3%，諧波分量主要為5次諧波和少量7次、11次諧波。

從圖2可以看出，電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549—93）的規(guī)定，標(biāo)稱電壓為380 V電壓的公用電網(wǎng)，THDu不能超過(guò)5%[3]，這是對(duì)大公用電網(wǎng)而言的。對(duì)于有變壓器分支的廠區(qū)供電，一般要求THDu<3%，THDi<10%，有些場(chǎng)合（變壓器分支容量較小場(chǎng)合）甚至要求THDu<2%，THDi<5%。顯然，對(duì)于有變壓器分支的廠區(qū)供電而言，該磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)的THDu及THDi都超標(biāo)了。

2.2 ? ?無(wú)源諧波濾波器及有源諧波濾波器

無(wú)源諧波濾波器主要采用電抗器和電容器組成LC回路，串聯(lián)于系統(tǒng)中。LC回路諧振頻率的設(shè)定，只能針對(duì)于某一次諧波，即針對(duì)某一個(gè)頻率為低阻抗，使得該頻率流經(jīng)為其設(shè)定的LC回路，達(dá)到濾除某一頻率諧波的目的。但是如果LC諧振頻率設(shè)定不好，會(huì)與系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，進(jìn)而放大諧波，造成不良后果。無(wú)源諧波濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但不能將諧波完全濾除干凈。需要注意的是，無(wú)源諧波濾波器是串聯(lián)于系統(tǒng)中的，其功率需與磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)的功率相匹配。無(wú)源諧波濾波器一般由進(jìn)線電抗器、濾波電抗器和出線電抗器組成。進(jìn)線電抗器用以隔離系統(tǒng)中其他諧波源的高次諧波，濾波支路用以分流所配套負(fù)載所產(chǎn)生的5次、7次及高次諧波，出線電抗器用以改變負(fù)載整流電源的伏安特性。

有源諧波濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)濾除諧波、改善電能質(zhì)量的新型諧波濾波裝置，能對(duì)各次諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)濾除和無(wú)功補(bǔ)償。有源諧波濾波器能克服無(wú)源濾波器諧波抑制的缺點(diǎn)（無(wú)源諧波濾波器只能補(bǔ)償某次諧波，并且有諧波放大的風(fēng)險(xiǎn)），實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，可以既濾除諧波又補(bǔ)償無(wú)功。

有源諧波濾波器通過(guò)電流傳感器，實(shí)時(shí)采集負(fù)載電流，經(jīng)過(guò)電流調(diào)理電路送到內(nèi)部控制芯片進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，進(jìn)而計(jì)算出負(fù)載電流的諧波成分，然后控制芯片輸出PWM信號(hào)給執(zhí)行器件IGBT，控制其產(chǎn)生一個(gè)與負(fù)載諧波大小相等、方向相反的電流注入到電網(wǎng)中補(bǔ)償諧波電流，實(shí)現(xiàn)諧波濾波功能。有源諧波濾波器濾波性能不受系統(tǒng)參數(shù)變化的影響，可以濾除各次諧波，在其額定功率范圍內(nèi)，原則上能將諧波全部濾除干凈，但是其原理相對(duì)復(fù)雜，又用到IGBT等電力電子器件，成本較高。因有源諧波濾波器是并聯(lián)于系統(tǒng)中，所以在選擇時(shí)其功率無(wú)需與磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)的功率相匹配，而是與總諧波電流相匹配，這樣可以節(jié)省有源諧波濾波器的成本。

2.3 ? ?加裝諧波濾波器進(jìn)行磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)諧波治理測(cè)試

本文以加裝無(wú)源諧波濾波器為例，說(shuō)明諧波治理效果（有源諧波濾波器的諧波治理效果理論上更好），諧波測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4所示。

從圖3可以看出，加裝無(wú)源諧波濾波器后，該磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)的THDu為1.5%，THDi為3.8%，THDu及THDi都明顯下降并符合電網(wǎng)及廠區(qū)要求。

從圖4可以看出，電流波形接近正弦波。150 kW磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)加裝無(wú)源諧波濾波器前后對(duì)比結(jié)果如表1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)作為近年來(lái)的新型鼓風(fēng)機(jī)，因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效智能、安裝及操作維護(hù)簡(jiǎn)單、噪聲低、運(yùn)行費(fèi)用低等顯著優(yōu)點(diǎn)，在污水處理、物料輸送、煙氣脫硫等行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)的工作方式所產(chǎn)生的諧波污染是個(gè)不可忽視的問(wèn)題，為了使磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)得到更廣泛的應(yīng)用，需對(duì)磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行諧波測(cè)試，了解其系統(tǒng)諧波總量及各次諧波分量，以便確定諧波濾波器的種類及性能參數(shù)，以最小的成本達(dá)到較好的諧波治理效果。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 龐忠浩.大功率變頻器諧波抑制技術(shù)的研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2016.

[2] 朱壁學(xué).變頻器產(chǎn)生高次諧波的抑制方法研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[3] 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波：GB/T 14549—93[S].

收稿日期：2020-02-05

作者簡(jiǎn)介：孟凡菲（1985—），女，江蘇連云港人，碩士，工程師，從事磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)工作。