软启动器工作过程中的谐波分析及抑制

软启动器工作过程中的谐波分析及抑制
本文来自2008年第10期“软起动”上 ,已经被阅读过302次
摘要：软启动技术是近几年发展起来的,将电力电子技术、微处理器技术和自动控制技术有机结合的一种新技术, 与传统降压启动控制技术相比有很多优点。

本文从软启动器概念入手，分析软启动器谐波产生的原因及危害，在此基础上提出了抑制谐波的方法。

关键词：软启动器;谐波;危害;抑制
随着工业生产机械的不断发展，对电机的启动性能提出了越来越高的要求。

三相鼠笼式异步电动机应用广泛，但启动电流大是一个突出的缺点，为了改善起动性能，降低起动电流，提升起动转矩，传统采用串联电抗器，自耦变压器等降压起动的方法，这些方法虽然能减少起动电流，但同时也使电动机的起动转矩减少，而且起动电流不连续，维修量大，即增加了成本，又降低了可靠性。

软启动器是一种就集软启动，软停车，轻载节能和多功能保护于一体的新型电机控制装备，国外称为Soft Starter。

它不仅可以在整个启动过程中实现无冲击而平滑地启动电机，而且可以根据电动机负载的特性来调节启动过程中的参数，如限流值，启动时间，启动时间等。

此外它还具有多种对电机的保护功能，从根本上解决了传统降压启动设备的诸多弊端。

国外AB，ABB，施奈德，西门子等大公司均有相关产品。

1 软启动器原理及性能特点
软启动器的主要构成是串接于电源和被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路，现代软启动器基本上都采用了电力电子技术和微机控制技术，以单片机为中央控制器来完成测量及各种控制算法。

因此，软启动器具备了很强的功能和灵活性。

图1 晶闸管软启动器主电路
整个启动过程是数字化程序软件控制下的自动运行。

利用三对晶闸管的电子开关特性，通过启动器中的单片机控制其触发脉冲来改变触发角的大小，从而改变晶闸管的导通时间，装置输出电压按一定规律上升, 使被控电动机的电压由零升到全电压, 转速相应地由零平滑加速到额定转速的过程。

它是电力电子技术与自动化控制技术的综合, 是将强电和弱电结合起来的控制技术。

软启动器的性能特点:①启动电压可调, 保证电机启动的最小启动转矩, 避免电机过热和能源浪费; ②控制电机平滑启动, 减少启动电流冲击; ③启动电流可根据负载情况调整, 减少启动损耗, 以最小的电流产生最佳的转矩; ④启动时间可调, 在该时间范围内, 电机转速逐渐上升, 避免转速冲击; ⑤保护传动机械, 清除转矩浪涌并降低冲击电流; ⑥恒定加减速, 不需要测速机, 即使当电机负载变化时也是如此;⑦自由停车和软停车可选, 软停车快慢可调; ⑧有相序、缺相、过热、启动过程过流、运行过程过流和过载的检测及保护, 其过流值和过载值可调。

2 软启动器的起动方式
目前的软启动器有以下几种起动方式:
①恒流软起动。

起动时电动机起动电流保持恒定（即限定起动电流）, 其电流限定值通常在电机额定电流的1.5～4.5 倍之间选择。

②斜坡电压软起动。

顾名思义是电压由小到大斜坡线性上升, 它是将传统的降压起动从有级变成了无级。

这种起动方式最简单, 不具备电流闭环控制, 仅控制晶闸管的导通
角, 便使起动电压以设定的速率增加, 然后再转为额定电压。

其缺点是初始转矩小, 转矩特性抛物线型上升对拖动系统不利, 且起动时间长有损于电机。

③斜坡恒流软起动。

起动初始阶段, 起动电流按设定的上升速率（斜率）逐渐增大, 到达设定值后, 保持恒流状态直至起动完毕。

起动电流的上升速率可根据负载需要进行调整。

电流上升的速率高, 则起动转矩大, 起动时间短。

一般起动转矩可在额定转矩的5%～90%之间调整。

起动时间可在2～30 s 之间调整。

该起动方式最适用于风机、泵类负载, 是实际应用最多的软起动方式。

④脉冲恒流软起动。

这种起动方式在起动初始阶段有一个较大的起动冲击电流, 该电流值大于设定的恒流值, 从而能产生较大的起动冲击转矩去克服较大的静摩擦阻转
矩, 使设备能够起动, 然后进入恒流起动阶段, 直至起动结束。

显然, 这种起动方式的起动转矩大, 适用于重载起动, 如皮带运输机、磨煤机的带载起动。

3.软启动器谐波的产生
软启动器采用三对反并联的晶闸管实现交流调压。

由于晶闸管是典型的非线性器件，在使用过程中会产生大量的谐波，将对设备的稳定运行及电网造成不良影响。

谐波产生的根本原因是非线性负载所致。

如今随着电力电子装置的大量应用，它已成为最主要的谐波源。

谐波皆由具有非线性伏安特性的设备引起。

理想正弦电压加在非线性的设备上，就会产生非正弦电流，成为谐波源。

例如工频电压为，式中U为工频电压有效值即工频。

作用于电流—电压特性为的非线性
时不变电阻两端时，产生的电流为：，可见，输入电压为频率ω1的正弦波，而输出电流则是包含有ω1和3ω1两种频率成分的非正弦波。

谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。

由于谐波频率总是高于基波，因此称为高次谐波。

高次谐波叠加在基波之上就会使波形发生畸变，使正弦波变成非正弦波。

随着电力电子技术的发展，各种新型用电设备不断投入使用，各种非线形负载日益增加，导致大量谐波电流注入电网。

谐波在电网中的存在，会对多种电气设备造成损害，在有些地方甚至直接威胁电网的安全运行。

4. 谐波的危害
对于容量小的系统，谐波产生的干扰不能忽略，谐波电流和谐波电压的出现，对公用电
网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，给周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。

谐波污染对电力系统的危害严重性主要表现在：
（1）谐波对供电线路产生了附加谐波损耗。

（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。

（3）谐波使电网中的电容器产生谐波。

工频下，系统装设的各种用途的电容器其电路比系统中的感抗要大的多，不会产生谐振，但谐波频率时，感抗值成倍增加而使容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备被烧毁。

（4）谐波引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使危害大大增加，甚至引起严重事故。

（5）谐波将使继电保护和自动装置出现误操作，并使仪表和电能计量出现较大误差，谐波对其他系统及电力用户危害也很大。

（6）谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。

尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。

另外电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。

5. 谐波研究的意义
首先，谐波危害十分严重。

各种谐波源产生的谐波给电力系统造成巨大的污染，影响到整个电力系统的运行环境。

其次，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。

电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱，但电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电子技术发展的重大障碍。

但是，以现有的技术水平和经济条件要将产生的高次谐波全部消灭是困难的。

6. 谐波的抑制
为了抑制谐波的泛滥，净化电力系统的波形，提高系统电能的质量和效率，国家技术监督局1993年发布了国家标准GB-T14549-93《电能质量公用电网谐波》。

附表摘录了该标准中公用电网谐波电压（相电压）限值（低压配电系统常用电压等级），见下表。

抑制谐波，就是减小甚至消除谐波波源产生的谐波分量，从而使注入电网的谐波降到国家标准的规定值以下。

抑制谐波的措施一般分为补偿和消除两种：补偿是设置装置来吸收谐波;消除是通过改变谐波源的工作方式和工作特征，使其少生产甚至不生产谐波。

常用的方法和措施有：
（1）装设LC滤波器
LC滤波器是传统的谐波补偿装置，目前在工程上仍然广泛应用。

它结构简单，投资少，可靠性高，运行费用也比较低。

LC滤波器又称调频滤波器，是由适当数值的电感，电容和电阻组成串联谐振电路，其工作原理实质上是为电路中的谐波提供一条释放路径，即保留基波而使谐波短路，使谐波不注入电网。

一般采用三相星形连接。

但是其缺点是只能补偿固定频率的谐波。

LC滤波器又分为单调谐滤波器，高通滤波器及双调谐滤波器等几种。

实际应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。

1. 单调谐滤波器其电路原理图如图。

图2 单调谐滤波器
滤波器对n次谐波的阻抗为，式中fn表示第n次单调谐滤波器，ωs表示基波频率。

单调谐滤波器是利用串联L，C谐振原理构成，谐波次数为。

在谐振点处，
，因很小，滤波器表现出低阻抗特性，n次谐波电流主要由分流，很
少流入电网中。

而对于其他次数的谐波，远大于，滤波器则表现为高阻抗，滤波器分流很少。

因此，只要将滤波器的谐振次数设定为需要滤除的谐波次数一样，则该次谐波将大部分被滤除。

2.高通滤波器
高通滤波器又称为减幅滤波器，它对于某一频率以后的所有频率都呈现低阻抗，形成对次数较高谐波的低阻抗通路，使得这些谐波电流大部分流入滤波器，从而达到滤波的目的。

高通滤波器分为一阶，二阶，三阶和C型四种形式。

图3 高通滤波器
（a）一阶（b）二阶（c）三阶（d）C阶
一阶高通滤波器需要的电容太大，基波损耗也太大，一般不采用。

二阶高通滤波器的滤波性能最好，但与三阶相比，其基波损耗较高。

三阶高通滤波器比二阶多了一个电容，提高了滤波器对基波频率的阻抗，从而大大减少了基波损耗。

这是三阶高通滤波器的主要优点。

C型高通滤波器的性能介于二阶和三阶之间。

缺点是对基波频率失谐和元件参数漂移比较敏感。

图4 双调谐滤波器
以上四种高通滤波器中，最常用的是二阶高通滤波器。

3.双调谐滤波器如图，它有两个谐振频率，同时吸收两个频率的谐波，其作用相当于两个并联的单调谐滤波器。

双调谐滤波器与两个单调谐滤波器相比，基波损耗较小，正常运行时，串联电路的基波阻抗远大于并联电路的基波阻抗，所以并联电路所承受的工频电压比串联电路的低得多。

但双调谐滤波器结构复杂，调谐困难，应用还较少。

（2）有源滤波器（Active Power Filter ,APF）
有源滤波器（APF）是近年来发展迅速的新技术。

它串联或并联于主电路中，采用实时检测的闭环运行方式，实时对电流中的高次谐波进行检测，根据检测结果输入与高次谐波成分具有幅值相等，相位相反的电流，达到实时补偿谐波电流的目的，从而使电网电流只含基波电流。

它与传统的无源滤波器相比，APF有以下特点：①不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点;②绿波性能不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险;③具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。

但APF的成本高，限制了它的推广使用。

7.结论
总之，电动机软启动器与传统降压启动设备相比，能更好的解决电动机起动和停车过程中产生的问题，有着广泛的应用前景。

但软启动器产生的谐波干扰也给设备稳定运行带来了潜在的威胁，如何最大限度的抑制软启动器运行过程产生的谐波仍是个需要研究的课题。

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