塔式起重机变频器谐波治理

孟庆坤，李加敖，李 茂

（山东中建众力设备租赁有限公司，山东 济南 250022）

近年来，随着塔机生产技术的进步，变频调速在塔机电控方面得到了广泛应用，一是为了启动平稳，达到软启动的效果，降低大功率电机启动瞬间对电网电流的冲击；二是有利于延长设备的使用寿命，运行时噪音低、性能好，提高了工作效率；三是相对于传统触点控制调速，节能效果显著，据不完全统计，变频器调速能够节能30%，与国家推行绿色施工相匹配。但同时，变频器的使用对电能质量带来了很大问题，变频器是非线性设备，其主电路一般都采用交—直—交电压逆变方式，外部输入的380V50Hz工频电源，经三相桥式大功率二极管不可控整流成直流电压信号，经滤波电容及大功率晶闸管逆变为频率可调的交流信号，为需要调速的电动机提供频率可变化的电源。

根据电动机转速公式n=60(1-s)(f/p)可知，通过改变输入频率，即可实现电动机转速的调节，在这个过程中，产生了大量的谐波，其中以5、7次谐波为主。谐波电流注入电网的直观表现为增大电机噪声、造成漏电保护器误动作跳闸，严重影响塔机正常施工。为彻底解决该问题，我单位联合专业电器公司对某工地塔机谐波进行测试，并提出了相应的解决措施，取得了良好的效果。

1 谐波电流的危害

GB/T 14549《电能质量 公用电网谐波》5.1规定了公用电网的谐波电流限值，见表1。

当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，按照式1修正上表中谐波电流允许值

式中Sk1——公共连接点的最小短路容量,MVA；

Sk2——基准短路容量，MVA；

Ihp——上表中第h次谐波电流允许值，A。

超出国标的谐波电流不仅会污染供电线路、损害用电设备，而且会引起塔机漏电保护器、PLC误动作，从而引发安全事故。具体表现在以下几个方面。

表1 注入公共连接点的谐波电流允许值

1）谐波的存在会干扰设备的正常工作，例如在PLC控制系统中，谐波的存在是非常致命的，谐波信号会干扰PLC的运行，导致PLC出现指令错误，引起严重后果；在接触器作为控制中间器件时，谐波电流会引起接触器线圈非正常的吸合或断开，谐波含量高的情况下造成接触器损坏。

2）影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使电动机局部严重过热，加速电动机老化；对于开关元器件来讲，谐波会导致断路器、漏电保护非正常跳闸，造成突然断电。当塔机突然断电后，整机处于失控状态，回转机构是常闭制动的突然制动引起塔身产生非常大的扭矩。回转机构是常开的吊臂随惯性或随风转动。吊钩无法升降、变幅、制动容易撞倒施工人员和临建设施等地方，从而引发事故。

3）谐波使电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，加速对电缆的损耗，大量的谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

4）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

5）谐波会引起公共电网中局部并联、串联谐振，引发严重后果。

2 变频器输入侧谐波测试

以某QTZ160塔机为例，其电机及变频器配置为：起升机构电机功率37kW，变频器型号45LVF；变幅机构电机功率4kW，变频器型号4TVF。变频器输入输出侧均无电抗器或滤波装置。

测试仪器：FLUKE435电能质量分析仪、FLUKEflex电流钳，测试位置为塔机电源进线侧。

测试结果：基波电流60A，总谐波电流含量75.2%，5次谐波电流39.3A，7次谐波电流15A，需要补偿的谐波电流50A。

图1所示为变频器输入侧相电流测试波形，图中所示电流波形在一个周期出现两个波峰。图2为变频器输入侧谐波柱状图，图中所示主要谐波成分为5次、7次谐波。图3为谐波总畸变变化图，图中所示A相电流总谐波畸变率达到59.6%，B相电流总谐波畸变率达到67%，C相电流总谐波畸变率达到75.2%。

图1 电流波形图

图2 5、7次谐波电流柱状图

图3 谐波总畸变变化图

根据表1和公式1，40kW电机谐波电流允许值为：

5次谐波电流允许值：

7次谐波电流谐波允许值：

本次测试，塔机在回转、变幅、吊钩提升中均有谐波产生，塔机在起升启动瞬间产生谐波电流最大，实测的5次谐波39.3A，7次谐波15A，远远大于国标允许值。

3 谐波电流治理措施

根据谐波电流测试情况，综合分析市场各种抑制谐波电流装置优劣，决定使用BS有源动力滤波器装置。BS有源滤波器可以做到动态滤除谐波、动态补偿无功；能够实时监测电网的各种谐波和无功功率，进行动态跟踪补偿，并能够对幅值和频率都变化的无功进行补偿。BS有源滤波器采用闭环控制模式、自适应控制算法，使其在满载和轻载下均能达到很好的滤波性能。

4 治理效果

使用BS有源滤波器后，塔机运行平稳，谐波柱状图见图4。

图4 治理后谐波总畸变、5次、7次电流柱状图

治理效果主要表现在以下几方面。

1）谐波电流得到有效抑制，5次谐波电流为1.6A，7次谐波电流为1.3A，满足国标要求；总畸变为4.1%，满足小于5%的国家标准。

2）降低了谐波能耗，节约电能，提高了工作效率。

3）谐波引起的设备损坏率大幅下降，延长了设备使用寿命。

4）避免了电动机因谐波、浪涌而造成的过热烧毁、过压击穿以及电机绝缘损坏。

5）能够保护设备内的电子集成线路板及芯片不被浪涌冲击损坏。

6）消除了谐波引起的控制部分误动作、开关误动作出现的突然掉电及突发情况，保证了生产工作的安全性。

5 结 语

塔机变频器配置有源滤波器，效果显著，但现在还没引起厂家重视，使用变频器的塔机几乎都没有安装滤波装置，建议使用变频器的塔机在出厂时应配备有源滤波器。以前已经出厂的塔机，也有必要安装滤波装置，这对于提高塔机电控系统运行稳定，保证电器系统可靠工作，防止塔机因谐波电流干扰引发的安全事故意义重大。