摘 要：軟啟動技術是近幾年發展起來的,將電力電子技術、微處理器技術和自動控制技術有機結合的一種新技術, 與傳統降壓啟動控制技術相比有很多優點。本文從軟啟動器概念入手，分析軟啟動器諧波產生的原因及危害，在此基礎上提出了抑制諧波的方法。 關鍵詞：軟啟動器;諧波;危害;抑制 Abstract：The soft start technology is develops in recent years. It‘s combining with correlation knowledge of the power electronic technology, the microprocessor technology and the automatic control technology. Compares with the traditional reduced voltage starting control technology has many merits. This article start with the concept of soft starter and analyze the cause of harmonic and it‘s harm .On the basis of this, propose the methods which should be taken to control harmonic. Key words：soft start; harmonic; 　　隨著工業生產機械的不斷發展，對電機的啟動性能提出了越來越高的要求。三相鼠籠式異步電動機應用廣泛，但啟動電流大是一個突出的缺點，為了改善起動性能，降低起動電流，提升起動轉矩，傳統采用串聯電抗器，自耦變壓器等降壓起動的方法，這些方法雖然能減少起動電流，但同時也使電動機的起動轉矩減少，而且起動電流不連續，維修量大，即增加了成本，又降低了可靠性。 　　軟啟動器是一種就集軟啟動，軟停車，輕載節能和多功能保護于一體的新型電機控制裝備，國外稱為Soft Starter。它不僅可以在整個啟動過程中實現無沖擊而平滑地啟動電機，而且可以根據電動機負載的特性來調節啟動過程中的參數，如限流值，啟動時間，啟動時間等。此外它還具有多種對電機的保護功能，從根本上解決了傳統降壓啟動設備的諸多弊端。國外AB，ABB，施奈德，西門子等大公司均有相關產品。 1 軟啟動器原理及性能特點 　　軟啟動器的主要構成是串接于電源和被控電機之間的三相反并聯晶閘管及其電子控制電路，現代軟啟動器基本上都采用了電力電子技術和微機控制技術，以單片機為中央控制器來完成測量及各種控制算法。因此，軟啟動器具備了很強的功能和靈活性。 [align=center] 圖1 晶閘管軟啟動器主電路[/align] 　　整個啟動過程是數字化程序軟件控制下的自動運行。利用三對晶閘管的電子開關特性，通過啟動器中的單片機控制其觸發脈沖來改變觸發角的大小，從而改變晶閘管的導通時間，裝置輸出電壓按一定規律上升, 使被控電動機的電壓由零升到全電壓, 轉速相應地由零平滑加速到額定轉速的過程。它是電力電子技術與自動化控制技術的綜合, 是將強電和弱電結合起來的控制技術。 　　軟啟動器的性能特點:① 啟動電壓可調, 保證電機啟動的最小啟動轉矩, 避免電機過熱和能源浪費; ②控制電機平滑啟動, 減少啟動電流沖擊; ③啟動電流可根據負載情況調整, 減少啟動損耗, 以最小的電流產生最佳的轉矩; ④啟動時間可調, 在該時間范圍內, 電機轉速逐漸上升, 避免轉速沖擊; ⑤保護傳動機械, 清除轉矩浪涌并降低沖擊電流; ⑥恒定加減速, 不需要測速機, 即使當電機負載變化時也是如此;⑦ 自由停車和軟停車可選, 軟停車快慢可調; ⑧有相序、缺相、過熱、啟動過程過流、運行過程過流和過載的檢測及保護, 其過流值和過載值可調。 2 軟啟動器的起動方式 　　目前的軟啟動器有以下幾種起動方式: 　　①恒流軟起動。起動時電動機起動電流保持恒定（即限定起動電流）, 其電流限定值通常在電機額定電流的1.5～4.5 倍之間選擇。 　　②斜坡電壓軟起動。顧名思義是電壓由小到大斜坡線性上升, 它是將傳統的降壓起動從有級變成了無級。這種起動方式最簡單, 不具備電流閉環控制, 僅控制晶閘管的導通角, 便使起動電壓以設定的速率增加, 然后再轉為額定電壓。其缺點是初始轉矩小, 轉矩特性拋物線型上升對拖動系統不利, 且起動時間長有損于電機。 　　③斜坡恒流軟起動。起動初始階段, 起動電流按設定的上升速率（斜率）逐漸增大, 到達設定值后, 保持恒流狀態直至起動完畢。起動電流的上升速率可根據負載需要進行調整。電流上升的速率高, 則起動轉矩大, 起動時間短。一般起動轉矩可在額定轉矩的5%～90%之間調整。起動時間可在2～30 s 之間調整。該起動方式最適用于風機、泵類負載, 是實際應用最多的軟起動方式。 　　④脈沖恒流軟起動。這種起動方式在起動初始階段有一個較大的起動沖擊電流, 該電流值大于設定的恒流值, 從而能產生較大的起動沖擊轉矩去克服較大的靜摩擦阻轉矩, 使設備能夠起動, 然后進入恒流起動階段, 直至起動結束。顯然, 這種起動方式的起動轉矩大, 適用于重載起動, 如皮帶運輸機、磨煤機的帶載起動。 3.軟啟動器諧波的產生 　　軟啟動器采用三對反并聯的晶閘管實現交流調壓。由于晶閘管是典型的非線性器件，在使用過程中會產生大量的諧波，將對設備的穩定運行及電網造成不良影響。 　　諧波產生的根本原因是非線性負載所致。如今隨著電力電子裝置的大量應用，它已成為最主要的諧波源。 　　諧波皆由具有非線性伏安特性的設備引起。理想正弦電壓加在非線性的設備上，就會產生非正弦電流，成為諧波源。例如工頻電壓為，式中U為工頻電壓有效值即工頻。作用于電流—電壓特性為的非線性時不變電阻兩端時，產生的電流為：，可見，輸入電壓為頻率ω[sub]1[/sub]的正弦波，而輸出電流則是包含有ω[sub]1[/sub]和3ω[sub]1[/sub]兩種頻率成分的非正弦波。 　　諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍。由于諧波頻率總是高于基波，因此稱為高次諧波。高次諧波疊加在基波之上就會使波形發生畸變，使正弦波變成非正弦波。隨著電力電子技術的發展，各種新型用電設備不斷投入使用，各種非線形負載日益增加，導致大量諧波電流注入電網。諧波在電網中的存在，會對多種電氣設備造成損害，在有些地方甚至直接威脅電網的安全運行。 4. 諧波的危害 　　對于容量小的系統，諧波產生的干擾不能忽略，諧波電流和諧波電壓的出現，對公用電網是一種污染，它使用電設備所處的環境惡化，給周圍的通信系統和公用電網以外的設備帶來危害。諧波污染對電力系統的危害嚴重性主要表現在： 　　（1）諧波對供電線路產生了附加諧波損耗。 　　（2）諧波影響各種電氣設備的正常工作。 　　（3）諧波使電網中的電容器產生諧波。工頻下，系統裝設的各種用途的電容器其電路比系統中的感抗要大的多，不會產生諧振，但諧波頻率時，感抗值成倍增加而使容抗值成倍減少，這就有可能出現諧振，諧振將放大諧波電流，導致電容器等設備被燒毀。 　　（4）諧波引起公用電網局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，這就使危害大大增加，甚至引起嚴重事故。 　　（5）諧波將使繼電保護和自動裝置出現誤操作，并使儀表和電能計量出現較大誤差，諧波對其他系統及電力用戶危害也很大。 　　（6） 諧波對異步電動機的影響，主要是增加電動機的附加損耗，降低效率，嚴重時使電動機過熱。尤其是負序諧波在電動機中產生負序旋轉磁場，形成與電動機旋轉方向相反的轉矩，起制動作用，從而減少電動機的出力。另外電動機中的諧波電流，當頻率接近某零件的固有頻率時還會使電動機產生機械振動，發出很大的噪聲。 5. 諧波研究的意義 　　首先，諧波危害十分嚴重。各種諧波源產生的諧波給電力系統造成巨大的污染，影響到整個電力系統的運行環境。 　　其次，還在于其對電力電子技術自身發展的影響。電力電子技術是未來科學技術發展的重要支柱，但電力電子裝置所產生的諧波污染已成為阻礙電子技術發展的重大障礙。 　　但是，以現有的技術水平和經濟條件要將產生的高次諧波全部消滅是困難的。 6. 諧波的抑制 　　為了抑制諧波的泛濫，凈化電力系統的波形，提高系統電能的質量和效率，國家技術監督局1993年發布了國家標準GB-T14549-93《電能質量公用電網諧波》。附表摘錄了該標準中公用電網諧波電壓（相電壓）限值（低壓配電系統常用電壓等級），見下表。 　　抑制諧波，就是減小甚至消除諧波波源產生的諧波分量，從而使注入電網的諧波降到國家標準的規定值以下。 　　抑制諧波的措施一般分為補償和消除兩種：補償是設置裝置來吸收諧波;消除是通過改變諧波源的工作方式和工作特征，使其少生產甚至不生產諧波。常用的方法和措施有： 　　（1）裝設LC濾波器 　　LC濾波器是傳統的諧波補償裝置，目前在工程上仍然廣泛應用。它結構簡單，投資少，可靠性高，運行費用也比較低。 　　LC濾波器又稱調頻濾波器，是由適當數值的電感，電容和電阻組成串聯諧振電路，其工作原理實質上是為電路中的諧波提供一條釋放路徑，即保留基波而使諧波短路，使諧波不注入電網。一般采用三相星形連接。但是其缺點是只能補償固定頻率的諧波。 　　LC濾波器又分為單調諧濾波器，高通濾波器及雙調諧濾波器等幾種。實際應用中常用幾組單調諧濾波器和一組高通濾波器組成濾波裝置。 　　1. 單調諧濾波器其電路原理圖如圖。 [align=center] 圖2 單調諧濾波器[/align] 　　濾波器對n次諧波的阻抗為，式中fn表示第n次單調諧濾波器，ω[sub]s[/sub]表示基波頻率。 　　單調諧濾波器是利用串聯L，C諧振原理構成，諧波次數為。在諧振點處，，因很小，濾波器表現出低阻抗特性，n次諧波電流主要由分流，很少流入電網中。而對于其他次數的諧波， 遠大于，濾波器則表現為高阻抗，濾波器分流很少。 　　因此，只要將濾波器的諧振次數設定為需要濾除的諧波次數一樣，則該次諧波將大部分被濾除。 　　2.高通濾波器 　　高通濾波器又稱為減幅濾波器，它對于某一頻率以后的所有頻率都呈現低阻抗，形成對次數較高諧波的低阻抗通路，使得這些諧波電流大部分流入濾波器，從而達到濾波的目的。高通濾波器分為一階，二階，三階和C型四種形式。 [align=center] 圖3 高通濾波器[/align] 　　一階高通濾波器需要的電容太大，基波損耗也太大，一般不采用。 　　二階高通濾波器的濾波性能最好，但與三階相比，其基波損耗較高。 　　三階高通濾波器比二階多了一個電容，提高了濾波器對基波頻率的阻抗，從而大大減少了基波損耗。這是三階高通濾波器的主要優點。 　　C型高通濾波器的性能介于二階和三階之間。缺點是對基波頻率失諧和元件參數漂移比較敏感。 [align=center] 圖4 雙調諧濾波器[/align] 　　以上四種高通濾波器中，最常用的是二階高通濾波器。 　　3.雙調諧濾波器如圖，它有兩個諧振頻率，同時吸收兩個頻率的諧波，其作用相當于兩個并聯的單調諧濾波器。雙調諧濾波器與兩個單調諧濾波器相比，基波損耗較小，正常運行時，串聯電路的基波阻抗遠大于并聯電路的基波阻抗，所以并聯電路所承受的工頻電壓比串聯電路的低得多。但雙調諧濾波器結構復雜，調諧困難，應用還較少。 　　（2）有源濾波器（Active Power Filter ,APF） 　　有源濾波器（APF）是近年來發展迅速的新技術。它串聯或并聯于主電路中，采用實時檢測的閉環運行方式，實時對電流中的高次諧波進行檢測，根據檢測結果輸入與高次諧波成分具有幅值相等，相位相反的電流，達到實時補償諧波電流的目的，從而使電網電流只含基波電流。 　　它與傳統的無源濾波器相比，APF有以下特點：①不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變，補償無功，有一機多能的特點;②綠波性能不受系統阻抗等的影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險;③具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化的諧波，即具有高度可控性和快速響應性等特點。 　　但APF的成本高，限制了它的推廣使用。 7.結論 　　總之，電動機軟啟動器與傳統降壓啟動設備相比，能更好的解決電動機起動和停車過程中產生的問題，有著廣泛的應用前景。但軟啟動器產生的諧波干擾也給設備穩定運行帶來了潛在的威脅，如何最大限度的抑制軟啟動器運行過程產生的諧波仍是個需要研究的課題。 參考文獻： 　　[1]王兆安，楊君，劉進軍。諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業出版社，2004 　　[2]羅 安，電網諧波治理和無功補償技術及裝備[M].北京：中國電力出版社，2006，（4） 　　[3]許宏綱，徐方逸。軟啟動器原理及其應用[J].能源技術，2002，23（3） 　　[4]甘世紅，吳燕翔，楊 琛.高壓異步電動機軟啟動器[J].電機技術，2007，26（7） 　　[5]陳伯時，電力拖動自動控制系統[M].上海：上海工業大學，1991 　　[6]劉宏偉，王毅，異步電動機軟啟動器的研究[J].中小型電機，2002，29（2） 　　[7]George J.Wakileh，電力系統諧波——基本原理，分析方法和濾波器設計[M].2005