無(wú)線核相儀電氣設(shè)備的干擾及其抑制
無(wú)線核相儀電氣設(shè)備的干擾及其抑制
1 無(wú)線核相儀電氣設(shè)備的干擾及其抑制引言
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)載，特別是靜止變流器，從低壓小容量家用電器到高壓大容量用的工業(yè)交、直流變換裝置，應(yīng)用廣泛。由于靜止變換器是以開(kāi)關(guān)方式工作的，會(huì)引起電網(wǎng)電流、電壓波形發(fā)生畸變，使高次諧波顯著增加。盡管供電系統(tǒng)中電弧爐、電焊機(jī)、變壓器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、熒光燈等其它非線性負(fù)載都會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生不同頻率和幅值的高次諧波，但靜止變流器產(chǎn)生的高次諧波*為嚴(yán)重，成為電網(wǎng)中的“公害”。
2 高次諧波產(chǎn)生的主要原因
2.1 整流器
作為直流電源裝置，整流器廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。在整流裝置中，交流電源的電流為矩形波，該矩形波為工頻基波電流波形和奇數(shù)倍頻率的高次諧波電流波形的合成波形。給出了6脈沖3相橋式整流器在不同時(shí)的高次諧波含有率。
2.2 交流調(diào)壓器
交流調(diào)壓器多用于調(diào)光裝置、電阻爐和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等工業(yè)設(shè)備的電力調(diào)整。交流電力調(diào)壓器產(chǎn)生的諧波次數(shù)與整流器基本相同。
2.3 頻率變換器
頻率變換器是AC-AC變換器的代表設(shè)備。當(dāng)用作電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置時(shí)，它含有隨輸出頻率變化的邊頻帶，由于頻率連續(xù)變化，出現(xiàn)的諧波含量比較復(fù)雜。
2.4 通用變頻器
通用變頻器的輸入電路通常由二極管全橋整流電路和直流側(cè)電容器所組成，這種電路的輸入電流波形隨阻抗的不同相差很大。在電源阻抗比較小的情況下，其波形為窄而高的瘦長(zhǎng)型波形，反之，當(dāng)電源阻抗比較大時(shí)，其波形為矮而寬的扁平型波形。
2.5 高頻開(kāi)關(guān)電源
除了上述典型變流裝置會(huì)產(chǎn)生大量的諧波以外，近年來(lái)彩電、個(gè)人電腦、電池充電器等裝置的迅速普及，使得電容濾波的整流電路迅猛增加。對(duì)其交流側(cè)諧波的分析已經(jīng)開(kāi)始成為諧波源分析領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)之一。
3 高次諧波的危害
3.1 對(duì)電力電容器的影響
由于電容器的容抗與頻率成反比，因此在高次諧波電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電流的波形畸變更比諧波電壓的波形畸變大得多，即便電壓中諧波所占的比例不大，也會(huì)產(chǎn)生顯著的諧波電流。特別是在發(fā)生諧振的情況下，很小的諧波電壓就可引起很大的諧波電流，使電容器成倍地過(guò)負(fù)荷，導(dǎo)致電容器因過(guò)流而損壞。
3.2 對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的影響
諧波電壓或電流會(huì)在電機(jī)的定子繞組、轉(zhuǎn)子回路以定子和轉(zhuǎn)子鐵芯中引起附加損耗。由于渦流和集膚效應(yīng)的關(guān)系，定子和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)的這些附加損耗要比直流電阻引起的損耗大。
另外，諧波電流還會(huì)增大電機(jī)的噪音和產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子第k次諧波電流與基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩可由下式表示: (2)
式中: Er為轉(zhuǎn)子基波電勢(shì)(折算到定子側(cè));
f1為定子基波頻率;
p為電機(jī)的極對(duì)數(shù);
時(shí)，Irk與Er的相位差。
3.3無(wú)線核相儀電氣設(shè)備的干擾及其抑制 對(duì)輸電系統(tǒng)的影響
諧波電流一方面在輸電線路上產(chǎn)生諧波電壓降，另一方面增加了輸電線路上的電流有效值，從而引起附加輸電損耗。據(jù)有關(guān)資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約60％。
3.4 無(wú)線核相儀電氣設(shè)備的干擾及其抑制對(duì)變壓器的影響
變壓器在高次諧波電壓的作用下，將產(chǎn)生集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。在繞組中引起附加銅耗，同時(shí)也使鐵耗相應(yīng)增加。其附加損耗可用下式表示: (3)
式中， IkT為通過(guò)變壓器的k次諧波電流;
rs為變壓器的短路電阻;
kkT為考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)影響的系數(shù)。
另外，3的倍數(shù)次零序電流會(huì)在接法的繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，這一額外的環(huán)流可能會(huì)使繞組電流超過(guò)額定值。對(duì)于帶不對(duì)稱(chēng)負(fù)載的變壓器來(lái)說(shuō)，如果負(fù)載電流中含有直流分量，會(huì)引起變壓器的磁路飽和。從而會(huì)大大增加交流激磁電流的諧波分量。
3.5 對(duì)繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置的影響
諧波能夠改變保護(hù)繼電器的動(dòng)作特性，這與繼電器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和原理有關(guān)。當(dāng)有諧波畸變時(shí)，依靠采樣數(shù)據(jù)或過(guò)零工作的數(shù)字繼電器容易產(chǎn)生誤差。高次諧波會(huì)使保護(hù)裝置失靈和動(dòng)作不穩(wěn)定。
3.6 對(duì)電力測(cè)量的影響
測(cè)量?jī)x表是在純正弦波情況下進(jìn)行校驗(yàn)的，如果供電的波誤差與頻率的關(guān)系曲線。由圖5可知，電度表對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)以外的頻率的響應(yīng)不靈敏，頻率越高，誤差越大，而且為負(fù)誤差，當(dāng)頻率約為1000Hz時(shí)，電度表將會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.7 對(duì)通信的干擾
供電系統(tǒng)中的靜止變流器在換相期間電流波形發(fā)生急劇變化，該換相電流會(huì)在正常供電電壓中注入一個(gè)脈沖電壓，該脈沖電壓所包含的諧波頻率較高，甚至達(dá)到1MHz，因而會(huì)引起電磁干擾。它對(duì)通信線路、通信設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很大的影響。
4 抑制高次諧波的方法
為了保證供電質(zhì)量，防止諧波的各種危害，必須采取措施來(lái)抑制供電系統(tǒng)中的高次諧波。目前國(guó)內(nèi)外主要從高次諧波發(fā)生源、配電系統(tǒng)以及諧波抑制裝置三方面來(lái)抑制高次諧波。本文主要從設(shè)置諧波抑制裝置方面來(lái)抑制高次諧波的方法。
靜止變流器本身可以表示為產(chǎn)生諧波電流的恒流源，表示高次諧波電流的等效電路。與電源阻抗相比，相對(duì)減小補(bǔ)償裝置的阻抗就可以減小流向電源的高次諧波電流和減小母線上的高次諧波電壓(畸變電壓)。高次諧波的干擾取決于流向電源的高次諧波電流或畸變電壓的大小，因此抑制高次諧波從根本上就是要降低流向電源的高次諧波電流。抑制高次諧波的方法主要有兩種，一是減小的方法，即無(wú)源濾波方法，它是利用L-C無(wú)源濾波器諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗元件，從而減小流向電網(wǎng)的高次諧波電流;二是讓補(bǔ)償裝置提供反相的高次諧波電流，以抵消靜止變流器所產(chǎn)生的高次諧波電流，即有源濾波方法。
4.1 LC無(wú)源濾波器
(1) LC無(wú)源濾波器的結(jié)構(gòu)和特性
高品質(zhì)因數(shù)Q和低品質(zhì)因數(shù)Q濾波器電路及其阻抗隨頻率變化的典型，濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q確定了調(diào)諧的銳度。高Q型濾波器的典型值在30-60之間，它一般用于消除特定次數(shù)的諧波。低Q型濾波器的典型值在0.5-5之間，它在很寬的頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)為低阻抗，可以抑制多個(gè)頻率的諧波。
(2) LC無(wú)源濾波器的不足之處
目前實(shí)際裝置中大都采用LC無(wú)源濾波器，它在吸收高次諧波的同時(shí)還具有改善負(fù)載功率因數(shù)的功能。但這種濾波器還存在一些不足之處。
① 由于調(diào)諧偏移和殘余電阻的存在。調(diào)諧濾波器的阻抗等于零的理想條件是不可能出現(xiàn)的，阻抗的變化大大妨礙了濾波效果，并且還存在濾波器過(guò)負(fù)荷的可能性。
② 隨著電源側(cè)諧波發(fā)生源的增加，可能會(huì)引起濾波器的過(guò)負(fù)荷。
③ 根據(jù)高次諧波次數(shù)的多少，需設(shè)置多個(gè)LC濾波電路，并且當(dāng)濾波器投入運(yùn)行之后，如果高次諧波的次數(shù)和大小發(fā)生了變化，便會(huì)影響濾波效果。
④ 同一系統(tǒng)內(nèi)，在裝有很多濾波器的情況下，欲取得高次諧波流入的平衡是很困難的。
⑤ LC濾波器電路會(huì)因系統(tǒng)阻抗參數(shù)變化而發(fā)生與系統(tǒng)并聯(lián)諧振問(wèn)題，從而使裝置無(wú)法運(yùn)行。
⑥ 消耗大量的有色金屬，體積大，占地面積大。
4.2 有源電力濾波器
(1) 有源電力濾波器的工作原理和基本結(jié)構(gòu)
有源電力濾波器的基本工作原理是由HSasaki和HMachida于1971年首先提出的，如圖10所示。有源電力濾波器向電網(wǎng)注入一個(gè)與負(fù)載諧波電流幅值相等、相位相反的電流，從而抵消了電網(wǎng)中的諧波電流。
1976年，LGyugyi和ECStyaula提出了用PWM逆變器構(gòu)成的有源電力濾波器，如圖11所示。這些采用PWM逆變器構(gòu)成的有源電力濾波電路現(xiàn)已成為有源電力濾波器的基本結(jié)構(gòu)。電壓型逆變器按照要求控制輸出電壓，向電網(wǎng)提供準(zhǔn)確的電流。電流型逆變器將直流電流(DC)調(diào)制成脈沖列(AC)，該脈沖列通過(guò)交流輸出側(cè)的濾波器解調(diào)成準(zhǔn)確的電流。電流型逆變器的直流電流必須與*大補(bǔ)償電流相匹配;電流型逆變器的缺點(diǎn)是損耗大，需要解調(diào)濾波器;因此通常不采用電流型逆變器，而采用電壓型逆變器。
(2) 有源電力濾波器的優(yōu)點(diǎn)
① 作為高次諧波電流源，不受系統(tǒng)阻抗的影響;
② 沒(méi)有共振現(xiàn)象，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化不會(huì)影響補(bǔ)償效果;
③ 原理上比LC濾波器更為優(yōu)越，用一臺(tái)裝置就能完成各次諧波的補(bǔ)償;
④ 即使高次諧波的頻率發(fā)生變化，也能準(zhǔn)確地補(bǔ)償;
⑤ 由于裝置本身能完成輸出限制，因此即使高次諧波量增大也不會(huì)過(guò)載;
⑥ 其規(guī)格的確定與電源系統(tǒng)的條件基本無(wú)關(guān)，這對(duì)于高次諧波補(bǔ)償來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn);
4.3 單位功率因數(shù)變流器
開(kāi)發(fā)新型交流器，使其不產(chǎn)生諧波且功率因數(shù)為1。這種變流器被稱(chēng)為單位功率因數(shù)變流器(Unity Power Factor Converter)。高功率因數(shù)變流器可近似看成單位功率因數(shù)變流器，也有人稱(chēng)之為采用PFC(Power Factor Correction，功率因數(shù)校正)技術(shù)的變流器。
各種容量下高功率因數(shù)變流器主要采用的技術(shù)。大容量變流器提高功率因數(shù)和減少諧波的主要方法是采用多重化技術(shù)。其中，如果要求總功率因數(shù)為1，甚至提供超前的無(wú)功功率，則一般需使用自換相變流器。多重化技術(shù)如果能再配合多電平技術(shù)和PWM控制技術(shù)，可獲得更為理想的效果。
中等容量(十千伏安到幾百千伏安)的單位功率因數(shù)變流器主要采用PWM整流技術(shù)，一般需要使用自關(guān)斷器件。對(duì)電流型整流器，可直接對(duì)各個(gè)電力半導(dǎo)體器件的通斷進(jìn)行PMM調(diào)制，使得輸入電流為接近正弦且與電源電壓同相的PWM波形，從而得到接近于1的功率因數(shù)。對(duì)電壓型整流器，需要將整流器通過(guò)電抗器與電源相連，有兩類(lèi)控制方法，一類(lèi)就是直接對(duì)整流器進(jìn)行PWM調(diào)制，使其輸入端電壓為接近正弦的PWM波形，并保持一定的相位，可使通過(guò)電抗器輸入的電流為與電源電壓同相的正弦波;另一類(lèi)是檢測(cè)輸入電流，通過(guò)電流反饋信號(hào)對(duì)整流器進(jìn)行跟蹤型PWM調(diào)制，達(dá)到控制輸入電流波形和相位的目的。PWM整流器與PWM逆變器用直流儲(chǔ)能元件聯(lián)結(jié)起來(lái)，可構(gòu)成理想的四象限交流調(diào)速用變流器，有人稱(chēng)之為雙PWM變流器。這種變流器不但輸出電壓電流均為正弦波，輸入電流也為正弦波，且功率因數(shù)為1，必要時(shí)還可為其他負(fù)載提供無(wú)功功率補(bǔ)償，而且能量轉(zhuǎn)換效率高，可實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳送(即可實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng))。國(guó)外某些公司已有采用這種技術(shù)的實(shí)用化產(chǎn)品推出。小容量的整流器為實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，除也可采用PWM整流技術(shù)外，還可采用二極管整流加PWM斬波的方式。這一方式在各種開(kāi)關(guān)電源中有非常廣泛的應(yīng)用前景，必將對(duì)諧波污染的治理做出巨大的貢獻(xiàn)。這種整流器中能量只能單方向流動(dòng)，即從交流側(cè)流向直流側(cè)，因而如果負(fù)載是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。目前，在單相電路中性能較為理想，已能做到滿負(fù)載情況下輸入電壓在85-265V之間時(shí)電流的總諧波畸變率小于5％，已有商業(yè)化的專(zhuān)用控制芯片面市，并且與主電路封裝在一起成為小功率開(kāi)關(guān)電源的帶功率因數(shù)校正的輸入模塊。對(duì)三相電路來(lái)說(shuō)，目前其輸入電流的波形卻不如單相電路那樣理想，還有待進(jìn)一步研究。
還有其他形式的變流器也可實(shí)現(xiàn)接近于1的功率因數(shù)，如矩陣式變頻器、諧振交流中間環(huán)節(jié)的變頻器等等，特別是矩陣式變頻器，它是在傳統(tǒng)的周波變流器基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的交-交直接變頻器，卻可以輸出比輸入頻率還高的交流電壓，并且能實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。
