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無線核相儀電氣設備的干擾及其抑制

無線核相儀電氣設備的干擾及其抑制
 
1 無線核相儀電氣設備的干擾及其抑制引言
隨著電力電子技術的發展，供電系統中增加了大量的非線性負載，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交、直流變換裝置，應用廣泛。由于靜止變換器是以開關方式工作的，會引起電網電流、電壓波形發生畸變，使高次諧波顯著增加。盡管供電系統中電弧爐、電焊機、變壓器、旋轉電機、熒光燈等其它非線性負載都會在電網中產生不同頻率和幅值的高次諧波，但靜止變流器產生的高次諧波*為嚴重，成為電網中的“公害”。
2 高次諧波產生的主要原因
2.1 整流器
作為直流電源裝置，整流器廣泛應用于各種場合。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的高次諧波含有率。
2.2 交流調壓器
交流調壓器多用于調光裝置、電阻爐和感應電動機等工業設備的電力調整。交流電力調壓器產生的諧波次數與整流器基本相同。
2.3 頻率變換器
頻率變換器是AC-AC變換器的代表設備。當用作電動機的調速裝置時，它含有隨輸出頻率變化的邊頻帶，由于頻率連續變化，出現的諧波含量比較復雜。
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型波形，反之，當電源阻抗比較大時，其波形為矮而寬的扁平型波形。
2.5 高頻開關電源
除了上述典型變流裝置會產生大量的諧波以外，近年來彩電、個人電腦、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。對其交流側諧波的分析已經開始成為諧波源分析領域關注的焦點之一。 
3 高次諧波的危害
3.1 對電力電容器的影響
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，也會產生顯著的諧波電流。特別是在發生諧振的情況下，很小的諧波電壓就可引起很大的諧波電流，使電容器成倍地過負荷，導致電容器因過流而損壞。
3.2 對旋轉電機的影響
諧波電壓或電流會在電機的定子繞組、轉子回路以定子和轉子鐵芯中引起附加損耗。由于渦流和集膚效應的關系，定子和轉子導體內的這些附加損耗要比直流電阻引起的損耗大。
另外，諧波電流還會增大電機的噪音和產生脈動轉矩。轉子第k次諧波電流與基波旋轉磁場產生的脈動轉矩可由下式表示: (2)
式中: Er為轉子基波電勢(折算到定子側);
f1為定子基波頻率;
p為電機的極對數;
時，Irk與Er的相位差。
3.3無線核相儀電氣設備的干擾及其抑制 對輸電系統的影響
諧波電流一方面在輸電線路上產生諧波電壓降，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。據有關資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約60％。
3.4 無線核相儀電氣設備的干擾及其抑制對變壓器的影響
變壓器在高次諧波電壓的作用下，將產生集膚效應和鄰近效應。在繞組中引起附加銅耗，同時也使鐵耗相應增加。其附加損耗可用下式表示: (3)
式中， IkT為通過變壓器的k次諧波電流;
rs為變壓器的短路電阻;
kkT為考慮集膚效應和鄰近效應影響的系數。
另外，3的倍數次零序電流會在接法的繞組內產生環流，這一額外的環流可能會使繞組電流超過額定值。對于帶不對稱負載的變壓器來說，如果負載電流中含有直流分量，會引起變壓器的磁路飽和。從而會大大增加交流激磁電流的諧波分量。
3.5 對繼電保護、自動裝置的影響
諧波能夠改變保護繼電器的動作特性，這與繼電器的設計特點和原理有關。當有諧波畸變時，依靠采樣數據或過零工作的數字繼電器容易產生誤差。高次諧波會使保護裝置失靈和動作不穩定。
3.6 對電力測量的影響
測量儀表是在純正弦波情況下進行校驗的，如果供電的波誤差與頻率的關系曲線。由圖5可知，電度表對設計參數以外的頻率的響應不靈敏，頻率越高，誤差越大，而且為負誤差，當頻率約為1000Hz時，電度表將會停止轉動。
3.7 對通信的干擾
供電系統中的靜止變流器在換相期間電流波形發生急劇變化，該換相電流會在正常供電電壓中注入一個脈沖電壓，該脈沖電壓所包含的諧波頻率較高，甚至達到1MHz，因而會引起電磁干擾。它對通信線路、通信設備會產生很大的影響。
4 抑制高次諧波的方法
為了保證供電質量，防止諧波的各種危害，必須采取措施來抑制供電系統中的高次諧波。目前國內外主要從高次諧波發生源、配電系統以及諧波抑制裝置三方面來抑制高次諧波。本文主要從設置諧波抑制裝置方面來抑制高次諧波的方法。
靜止變流器本身可以表示為產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，相對減小補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，即無源濾波方法，它是利用L-C無源濾波器諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗元件，從而減小流向電網的高次諧波電流;二是讓補償裝置提供反相的高次諧波電流，以抵消靜止變流器所產生的高次諧波電流，即有源濾波方法。
4.1 LC無源濾波器
(1) LC無源濾波器的結構和特性
高品質因數Q和低品質因數Q濾波器電路及其阻抗隨頻率變化的典型，濾波器的品質因數Q確定了調諧的銳度。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呈現為低阻抗，可以抑制多個頻率的諧波。
(2) LC無源濾波器的不足之處
目前實際裝置中大都采用LC無源濾波器，它在吸收高次諧波的同時還具有改善負載功率因數的功能。但這種濾波器還存在一些不足之處。
① 由于調諧偏移和殘余電阻的存在。調諧濾波器的阻抗等于零的理想條件是不可能出現的，阻抗的變化大大妨礙了濾波效果，并且還存在濾波器過負荷的可能性。
② 隨著電源側諧波發生源的增加，可能會引起濾波器的過負荷。
③ 根據高次諧波次數的多少，需設置多個LC濾波電路，并且當濾波器投入運行之后，如果高次諧波的次數和大小發生了變化，便會影響濾波效果。
④ 同一系統內，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濾波器電路會因系統阻抗參數變化而發生與系統并聯諧振問題，從而使裝置無法運行。
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構
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注入一個與負載諧波電流幅值相等、相位相反的電流，從而抵消了電網中的諧波電流。
1976年，LGyugyi和ECStyaula提出了用PWM逆變器構成的有源電力濾波器，如圖11所示。這些采用PWM逆變器構成的有源電力濾波電路現已成為有源電力濾波器的基本結構。電壓型逆變器按照要求控制輸出電壓，向電網提供準確的電流。電流型逆變器將直流電流(DC)調制成脈沖列(AC)，該脈沖列通過交流輸出側的濾波器解調成準確的電流。電流型逆變器的直流電流必須與*大補償電流相匹配;電流型逆變器的缺點是損耗大，需要解調濾波器;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點
① 作為高次諧波電流源，不受系統阻抗的影響;
② 沒有共振現象，系統結構的變化不會影響補償效果;
③ 原理上比LC濾波器更為優越，用一臺裝置就能完成各次諧波的補償;
④ 即使高次諧波的頻率發生變化，也能準確地補償;
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過載;
⑥ 其規格的確定與電源系統的條件基本無關，這對于高次諧波補償來說是一個很大的優點;
4.3 單位功率因數變流器
開發新型交流器，使其不產生諧波且功率因數為1。這種變流器被稱為單位功率因數變流器(Unity Power Factor Converter)。高功率因數變流器可近似看成單位功率因數變流器，也有人稱之為采用PFC(Power Factor Correction，功率因數校正)技術的變流器。
    各種容量下高功率因數變流器主要采用的技術。大容量變流器提高功率因數和減少諧波的主要方法是采用多重化技術。其中，如果要求總功率因數為1，甚至提供超前的無功功率，則一般需使用自換相變流器。多重化技術如果能再配合多電平技術和PWM控制技術，可獲得更為理想的效果。
中等容量(十千伏安到幾百千伏安)的單位功率因數變流器主要采用PWM整流技術，一般需要使用自關斷器件。對電流型整流器，可直接對各個電力半導體器件的通斷進行PMM調制，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。對電壓型整流器，需要將整流器通過電抗器與電源相連，有兩類控制方法，一類就是直接對整流器進行PWM調制，使其輸入端電壓為接近正弦的PWM波形，并保持一定的相位，可使通過電抗器輸入的電流為與電源電壓同相的正弦波;另一類是檢測輸入電流，通過電流反饋信號對整流器進行跟蹤型PWM調制，達到控制輸入電流波形和相位的目的。PWM整流器與PWM逆變器用直流儲能元件聯結起來，可構成理想的四象限交流調速用變流器，有人稱之為雙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，且功率因數為1，必要時還可為其他負載提供無功功率補償，而且能量轉換效率高，可實現能量的雙向傳送(即可實現再生制動)。國外某些公司已有采用這種技術的實用化產品推出。小容量的整流器為實現單位功率因數，除也可采用PWM整流技術外，還可采用二極管整流加PWM斬波的方式。這一方式在各種開關電源中有非常廣泛的應用前景，必將對諧波污染的治理做出巨大的貢獻。這種整流器中能量只能單方向流動，即從交流側流向直流側，因而如果負載是驅動電機的逆變器，則無法實現再生制動。目前，在單相電路中性能較為理想，已能做到滿負載情況下輸入電壓在85-265V之間時電流的總諧波畸變率小于5％，已有商業化的專用控制芯片面市，并且與主電路封裝在一起成為小功率開關電源的帶功率因數校正的輸入模塊。對三相電路來說，目前其輸入電流的波形卻不如單相電路那樣理想，還有待進一步研究。
還有其他形式的變流器也可實現接近于1的功率因數，如矩陣式變頻器、諧振交流中間環節的變頻器等等，特別是矩陣式變頻器，它是在傳統的周波變流器基礎上發展而來的交-交直接變頻器，卻可以輸出比輸入頻率還高的交流電壓，并且能實現能量的雙向流動。

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