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有源濾波器

有源濾波器

 

有源電力濾波器(Active Power Filter,簡稱APF)是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置,它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。

中文名

有源濾波器

外文名

APF(active power filter )

作    用

用于動態抑制諧波

類    型

電子裝置

優    點

克服諧波抑制和無功補償方法

影    響

實現了動態跟蹤補償

特    色

綠色化

目錄

1. 1 基本概念

2. 2 基本原理

3. 3 設計方法

4. ? 級聯法

5. ? 模擬法

1. 4 基本應用

2. 5 優缺點

3. 6 應用場合

4. 7 發展狀況

5. 8 工作原理

1. 9 產品特點

2. 10 技術參數

3. 11 性能說明

4. 12 展望

基本概念編輯

之所以稱為有源,顧名思義該裝置需要提供電源(用以補償主電路的諧波),其應用可克服LC濾波器等傳統的諧波抑制和無功補償方法的缺點(傳統的只能固定補償),實現了動態跟蹤補償,而且可以既補諧波又補無功;三相電路瞬時無功功率理論是APF發展的主要基礎理論;APF有并聯型和串聯型兩種,前者用的多;并聯有源濾波器主要是治理電流諧波,串聯有源濾波器主要是治理電壓諧波等引起的問題。有源濾波器同無源濾波器比較,治理效果好,主要可以同時濾除多次及高次諧波,不會引起諧振,但是價位相對高!

有源濾波器

基本原理

有源電力濾波器,是采用現代電力電子技術和基于高速DSP器件的數字信號處理技術制成的新型電力諧波治理專用設備。它由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩個主要部分組成。指令電流運算電路實時監視線路中的電流,并將模擬電流信號轉換為數字信號,送入高速數字信號處理器(DSP)對信號進行處理,將諧波與基波分離,并以脈寬調制(PWM)信號形式向補償電流發生電路送出驅動脈沖,驅動IGBT或IPM功率模塊,生成與電網諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網,對諧波電流進行補償或抵消,主動消除電力諧波。

技術優勢  綠色化

效率達97.2%,比效率為95%的有源濾波器年節約電能約6, 500kwh

效率更高的拓撲增強型控制算法

基于精確模型的熱設計和結構優化

小型化

體積僅為同類主流品牌1/6,占用更少空間 ,

活適應不同的工況安裝創新,壁掛式或機架式安裝使用更少的原材料,保護環境

智能化

補償指定次數諧波可調感性、容性無功補償補償系統不平衡負載自動檢測、抑制系統諧振全功能監控系統

模塊化

N+1冗余,顯著提高系統可靠性流水線生產 , 更出色質量保證減少系統單故障點靈活并聯,適應不同工況

功能特性

同時濾除2~50次諧波,或選擇2~50次內任意次數諧波進行補償 響應時間小于300μs

采用3DSP+CPLD全數字控制方式和國際知名品牌高速IGBT,閉環控制,精確濾除諧波

應用四相線技術,消除中性線電流

自動消除諧振,不受電網阻抗和系統阻抗變化影響 具有補償諧波;同時補償諧波和無功;同時補償諧波,無功和負 載三相電流不平衡三種工作模式

電子式過負荷保護

逆變器控制具備了機器快速的FPGA,功率數字信號處理功能

模塊化設計,易于擴展 多機并聯集中監控功能 遠程網絡監控功能

維護方便,在符合要求的工作環境下工作,非機器故障無需維護

產品設計標準

國際標準

EN 50091-3, EN 61000-6-2, EN55011, EN 50178:1997, IEC 62040-3, IEC 50178:1997, AS 62040-3(VFI SS 111), CISPR11

國家標準

GB/T14549-93《電能質量:公用電網諧波》

GB/T15543-1995 《電能質量:三相電壓允許不平衡度》

GB/T15945-1995 《電能質量:電力系統頻率允許偏差》

GB/T12326-2000 《電能質量:電壓波動和閃變》

GB/T12325-2003 《電能質量:供電電壓允許偏差》

GB/T18481-2001 《電能質量:暫時過電壓和瞬態過電壓》

GB/T15576-2008 《低壓成套無功功率補償裝置》

GB7625.11998 《低壓電氣電子產品發出的諧波電流限值》

GB 4208-2008《外殼防護等級(IP代碼)》

電壓輸入范圍

額定工作電壓為380V,可承受-40%~+20%的電壓波動,頻率為50/60Hz, 可承受+/-5%的頻率波動,適應各種不同工況的電能質量環境。同時,如果電壓波動超過上下限,機器自動閉鎖輸出,并 發出告警。

自動限流

自動限定在額定容量范圍內100%輸出,如果負載側諧波電流大于機 器額定容量,機器會在額定容量內繼續輸出電流補償諧波,不會發生過載導致自身超載或退出運行。

負載短路保護

可承受負載瞬間短路的沖擊,在短路消除后重新啟動。

并聯獨立控制

并聯接入電網,不會因機器故障導致電網發生斷電事故。多臺YW-APF有源電力濾波器并聯系統,如果一臺因故障退出運行,剩余的 機器仍能正常工作實現濾波功能。

三相電流獨立控制

各相電流獨立控制,單相注入電流,不受系統三相電流不平衡影響,中性線濾波能力為相線的三倍。

IP防護等級及防雷保護

IP保護等級為IP20;防雷保護能力為20kA。

監控系統

系統具備快速、完全的故障自檢功能,包括市電欠壓或過壓、母線 過壓或過流、風扇故障、功率器件過溫、輸入保險絲熔斷等各種故障自檢,所有故障均通過LCD顯示屏及LED運行狀態燈發出告警信號,同時機器自動采取相對應的操作保護系統。 監控系統在供電或斷電情況下可保存500條故障記錄,便于分析原因 及排除故障。

設計方法

有源濾波器的設計方法,大致可歸結為級聯法和模擬法兩大類。

級聯法

根據技術指標要求,求出可以物理實現的轉移函數(通常可由現成的有源濾波器資料和手冊中查得),并將它分解為低階函數(主要是二階函數)之積,將這些低階函數分別用有源電路實現后再級聯起來,就實現了原轉移函數。實現低階函數的電路通稱為基本節,目前已有許多典型的二階基本節電路供設計者選用。按基本節中使用放大器的數目可分為單放大器電路、雙放大器電路、三放大器電路、四放大器電路,圖1給出了幾個基本節示例。級聯法設計過程比較簡單,電路特性調整容易,所實現的電路比較經濟,是常用的方法。

模擬法

先設計出能滿足技術指標要求的LC濾波器器作為設計原型,再用有源電路去模擬實現。這種方法又可分為元件模擬法和功能模擬法兩類,并且多以雙端終接電阻的LC梯型濾波器為原型。通常,模擬法比級聯法需用更多元件。

(1)元件模擬法

用模擬電感(能實現電感特性的不含電感元件的有源電路)取代LC濾波器中的電感元件。現有浮地模擬電感電路的性能還不夠好,用得較少。當LC濾波器中含有浮地電感時,常通過變換的方法來消除它。RLC—CRD變換是常用的一種。它是用因子K/s(s是復頻率,K為實常數)使電路中每個元件的阻抗都增大K/s倍。這種變換不會改變原電路的傳輸特性,卻使原電路中的R、L、C元件分別變成了C、R、D(頻變負阻)元件。圖2是一例子。

(2)功能模擬法 先作出LC原型濾波器電路中各電壓電流的信號流圖,再用積分器、加法器、乘法器等有源電路來實現。

基本應用

諧波主要危害:

· 增加電力設施負荷,降低系統功率因數,降低發電、輸電及用電設備的有效容量和效率,造成設備浪費、線路浪費和電能損失;

· 引起無功補償電容器諧振和諧波電流放大,導致電容器組因過電流或過電壓而損壞或無法投入運行;

· 產生脈動轉矩致使電動機振動,影響產品質量和電機壽命;

· 由于渦流和集膚效應,使電機、變壓器、輸電線路等產生附加功率損耗而過熱,浪費電能并加速絕緣老化;

· 諧波電壓以正比于其峰值電壓的形式增強了絕緣介質的電場強度,降低設備使用壽命;

· 零序(3的倍數次)諧波電流會導致三相四線系統的中線過載,并在三角形接法的變壓器繞組內產生環流,使繞組電流超過額定值,嚴重時甚至引發事故。

· 諧波會改變保護繼電器的動作特性,引起繼電保護設施的誤動作,造成繼電保護等自動裝置工作紊亂;

· 諧波變改變了電壓或電流的變化率和峰值,延緩電弧熄滅,影響斷路器的分斷容量;

· 使計量儀表特別是感應式電能表產生計量誤差;

· 干擾鄰近的電力電子設備、工業控制設備和通訊設備,影響設備的正常運行。

諧波治理經濟效益:

1、節能5%~8%

某IDC機房7臺400KVAUPS不間斷電源,08年電費支出約1500萬元,治理諧波后年節約電費110萬元,節能效果7.3%。

2、降容減少變壓器、斷路器、電纜投資

某工廠安裝國電中自有源濾波器,退還一臺變壓器給供電局,節省100多萬投資保護設備、減少設備投資;

河南某紙廠變頻器產生的諧波每月燒毀兩臺風機,每月損失3萬元。

3、提高生產率和保持連續供電

大慶腈綸廠治理諧波后日產量從197噸提高到210噸。

優缺點

優點:可動態濾除各次諧波,對系統內的諧波能夠完全吸收;不會產生諧振。

缺點:造價太高;受硬件限制,在大容量場合無法使用:有源濾波容量單套不超過100KVA,目前最高適用電網電壓不超過690V。

應用場合

薩頓斯有源電力濾波器可廣泛應用于工業、商業和機關團體的配電網中,如:電力系統、電解電鍍企業、水處理設備、石化企業、大型商場及辦公大樓、精密電子企業、機場/港口的供電系統、醫療機構等。根據應用對象不同,HTAPF-I型有源電力濾波器的應用將起到保障供電可靠性、降低干擾、提高產品質量、增長設備壽命減少設備損壞等作用。

■通信行業

為了滿足大規模數據中心機房的運行需要,通信配電系統中的UPS使用容量在大幅上升。據調查,通信低壓配電系統主要的諧波源設備為UPS、開關電源、變頻空調等。其產生的諧波含量都較高,且這些諧波源設備的位移功率因數極高。通過使用有源濾波器可以提高通信系統及配電系統的穩定性,延長通信設備及電力設備的使用壽命,并且使配電系統更符合諧波環境的設計規范。

■半導體行業

大多數半導體行業的3次諧波非常嚴重,主要是由于企業中使用了大量的單相整流設備。3次諧波屬于零序諧波,具備在中性線匯集的特點,導致中性線壓力過大,甚至出現打火現象,存在著極大的生產安全隱患。諧波還會造成斷路器跳閘,耽誤生產時間。3次諧波在變壓器內形成環流,加速了變壓器的老化。嚴重的諧波污染必然對配電系統中的設備使用效率和壽命造成影響。

■石化行業

由于生產的需要,石化行業中存在著大量泵類負載,并且不少泵類負載都配有變頻器。變頻器的大量應用使石化行業配電系統中的諧波含量大大增加。目前絕大部分變頻器整流環節都是應用6脈沖將交流轉化為直流,因此產生的諧波以5次、7次、11次為主。其主要危害表現為對電力設備的危害及在計量方面的偏差。使用有源濾波器可以很好地解決這方面的問題。

■化纖行業

為大幅提高熔化率、提高玻璃的熔化質量,以及延長爐齡、節省能源,在化纖行業常用到電助熔加熱設備,借助電極把電直接送入燃料加熱的玻璃池窯中。這些設備會產生大量的諧波,且三相諧波的頻譜和幅值差別比較大。

■鋼鐵/中頻加熱行業

鋼鐵業中常用到的中頻爐、軋機、電弧爐等設備都會對電網的電能質量產生重大的影響,使電容補償柜過載保護動作頻繁、變壓器和供電線路發熱嚴重、熔斷器頻繁熔斷等,甚至引起電壓跌落、閃變。

■汽車制造業

焊機是汽車制造業中不可少的設備,由于焊機具有隨機性、快速性及沖擊性的特點,使大量使用焊機造成嚴重的電能質量問題,造成焊接質量不穩、自動化程度高的機器人由于電壓不穩而不能工作,無功補償系統無法正常使用等情況。

■直流電機諧波治理

大型直流電機場所都需要先通過整流設備將交流電轉換為直流電,由于此類工程的負載容量都較大,因此在交流側存在嚴重的諧波污染,造成電壓畸變,嚴重時會引起事故。

■自動化生產線和精密設備的使用

在自動化生產線和精密設備場合,諧波會影響到其正常使用,使智能控制系統、PLC系統等出現故障。

■醫院系統

醫院對供電的連續性和可靠性有非常嚴格的要求,0類場所自動恢復供電時間T≤15S,1類場所自動恢復供電時間0.5S≤T≤15S, 2類場所自動恢復供電時間T≤0.5S,電壓總諧波畸變率THDu≤3%,X光機、CT機、核磁共振都是諧波含量極高的負載。

■劇場/體育館

可控硅調光系統、大型LED設備等都是諧波源,在運行過程中會產生大量的三次諧波,不但造成配電系統的電力設備效率低下,而且還會造成燈光頻閃,對通信、有線電視等微弱電回路產生雜音,甚至產生故障。

發展狀況

隨著電力電子技術和控制技術的進步,國產有源濾波器已經在各種重大項目上的代替的進口產品,僅2012年,國產有源濾波器產品的銷售額已經超過進口品牌5倍之多,其中西安賽博、深圳盛弘、以及山大華天的銷售額更是占據了國產中的半壁江山,并在超過5000A的項目中屢有斬獲,于此同時,利思、雙電、英那士等新興廠家也在不斷沖擊著市場,有源電力濾波器APF以其巨大的技術優勢、強大功能、逐漸下降的價格,必將最終取代傳統無源型濾波器PF。

在APF的發展過程中,模塊化的有源濾波設備以其體積小,安裝方便,集成化程度高,工作穩定,擴容方便等優點慢慢取代了傳統的柜式APF,在艾普瑞斯、深圳盛弘等模塊化行業領頭羊的帶領下,國產品牌山大華天、西安賽博、上海雙電也紛紛在2012年推出了模塊化產品,進口品牌施耐德也與艾普瑞斯達成戰略合作,擁有了模塊化產品,在未來的5年中,模塊化的有源濾波APF與靜止無功發生器SVG的組合必將成為電能質量行業中最有力的解決方案,并被市場廣泛的認可。

工作原理

有源濾波器是用電流互感器采集直流線路上的電流,經采樣,將所得的電流信號進行諧波分離算法的處理,得到諧波參考信號,作為的調制信號,與三角波相比,從而得到開關信號,用此開關信號去控制單相橋,根據技術的原理,將上下橋臂的開關信號反接,就可得到與線上諧波信號大小相等、方向相反的諧波電流,將線上的諧波電流抵消掉。這是前饋控制部分。再將有源濾波器接入點后的線上電流的諧波分量反饋回來,作為調節器的輸入,調整前饋控制的誤差

產品特點

1.濾波精度高,諧波電流濾除率可達97%以上;

2.濾波范圍廣,濾波次數:2--50次諧波及間諧波;

3.對負載的波動響應快,響應時間為1us;

4.動態注入電流以抑制諧波和補償功率因數;

5.不會與系統發生諧振;

6.可多臺組合擴展容量;

7.抑制系統過電壓,改善系統電壓穩定性

8.阻尼電力系統功率振蕩;

9.能抑制電壓閃變、補償三相不平衡、提高功率因數;

10、系統的自我保護和穩定性極強。

技術參數

1.額定工作電壓:380V/220V,50Hz

2.額定諧波補償容量:50A/100A/150A/200A

3.整機功耗:小于容量的3%

4.抑制諧波效果:達到國標要求,穩態THD可降低至5%以下

5.額定絕緣電壓:3000V AC,2500V DC

性能說明

1.動態有源濾波,全面改善電能質量;

2.DSP全數字控制,20KHz開關頻率,對負載的動態變化迅速響應;

3.諧波補償次數可選擇,最高能濾除50次諧波;

4.薩頓斯有源電力濾波器可選擇同時補償無功;

5.具備三相不平衡補償能力;

6.具有自動限流功能,不會發生過載;

7.效率高,滿載損耗小于2.57;

8.并聯安裝方式,安裝簡單,體積小;

9.降低線路損耗,消除諧波引起的變壓器和電機發熱,實現系統大幅度節能;

10.有源電力濾波器的濾波效果不受系統阻抗變化影響,并能自動抑制系統諧振;

11.按照配電結構,可選擇局部補償、部分補償或總補償,CT可位于電源側或負載側;

12.易于擴展和冗余設計,可最多10臺并聯運行。

展望

有源濾波器的改進,一方面有賴于元器件及集成技術的進展,一方面也取決于電路結構和設計的創新。RC有源濾波器雖已能混合集成,但高質量RC有源濾波器的完全集成仍沒解決。主要困難是不能在芯片上直接集成高精度的電阻和電容元件,且大電阻和大電容所占芯片面積太大。開關電容濾波器為解決這一課題開辟了道路,實現了全集成化;但它屬于離散時間模擬濾波器,且有工作頻段低等問題有待改進。一種在集成濾波器中實現精確電阻的方案,是利用MOS管的線性(即非飽和)區特性充任模擬電阻,這是一種受柵極電壓控制的壓控電阻,故可用片外(即該芯片以外)的參考值,諸如晶體時鐘或外部RC元件,配合片內控制電路來精確調整電路的時間常數。這是一種很有發展前景的方案。還有一種用跨導型運算放大器(OTA)和電容C組成的有源濾波器,也是很有希望的全集成方案。

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