用有源谐波滤波器改善电能质量,减少谐波

日期:2017-03-05

作者:爱普科斯公司 TDK集团成员
 
随着并入电网的非线性负载数量日益增加,电网中的谐波含量也大大增强,从而显著损害了电能质量。鉴于此,爱普科斯推出(EPCOS)PQSine™有源谐波滤波器,可有效减少电网中不必要的谐波。
线性负载已很少在工业厂房、办公楼、数据中心甚至私人住宅中使用。与之相反,非线性负载却日益增多,如驱动系统的变频器、IT和通信设备使用的大量开关电源以及越来越多的家用电器。甚至照明技术,主要使用的也是非线性电源(图1)。
 
 

 
 
 使用非线性负载会产生不必要的谐波,使得电流不再严格遵守正弦电压变化。
 
图1:供电电压和非线性负载的电流
 
 
非线性电流会产生谐波,从而引起正弦电压的失真,这些失真反过来又会干扰其他负载。谐波的频率是基频(线性频率为50Hz或60Hz)的整数倍,其幅度可变,并能扩展至kHz上限。谐波污染对电能质量会产生一系列的负面效应,包括
·由于电网电能质量差,引发其他负载问题;
·在零线上产生的额外电流负载,并且谐波电流会随着3次、9次、15次和21次等谐波逐渐积累,从而引发危险的高·电流;引发相位不对称(尤其在使用单相开关电源时),从而进一步增强谐波产生。
 
此外,通过数据或电源线传输的谐波会严重损害敏感设备的功能,甚至毁坏这些设备。典型例子包括工厂的过程控制器和数据中心的服务器,一旦这些地方的数据被谐波损坏可造成巨大的间接损失。

 
人们试图在负载侧使用无源元件直接消除谐波,但这需要对每个谐波频率提供一个包括电容器和电感器的已调谐振电路。而且,该解决方案仅适用于有限的谐波频谱。
 
 
有源谐波滤波器补偿谐波
借助爱普科斯(EPCOS)PQSine系列有源滤波器,TDK集团对由于谐波和相位偏移而引起的诸多问题提供了一个设计完美的全自动解决方案。该系列滤波器与可引起谐波的负载并联连接至电网,其核心是一个基于32位数字信号处理器(DSP)(采样频率为48kHz)的控制器。该系列滤波器具有业界领先的性能,响应时间仅为21µs。其全新的选择驱动控制(SDC)算法比基于快速傅里叶变换(FFT)分析的传统算法快。PQSine系列根据实时测试数据,将补偿电流馈入电网,从而抵消非线性负载电流(图2)。
 
 

 
PQSine可确保正弦电流波形,并能有效减少谐波和相位偏移。
 
图2:爱普科斯(EPCOS)PQSine的功能原理图
 
 
PQSine系列专门为200VAC至480VAC、50/60Hz的3相电网(带零线或无零线)设计,可检测并过滤高达50次的谐波(2500Hz/3000Hz)。该新型滤波器可在单过滤系统中以步进为60A至600A(最大)补偿电流进行串联。
 
 
模块化结构实现高灵活性
PQSine系列采用模块化结构,具备诸多优势:其一,60A模块可以实现快速更换;其二,对于标准的180A滤波柜,可使用一个或两个60A模块进行快速扩展比如,可以扩展至总输出可高达300A(采用5个模块),只需将5个模块插入到专为300A而设计的带母线的控制柜(图3)中。由于电源连接和控制电缆都采用了插件连接,插入过程既不需要拧螺丝也无需钻孔。
 
 

 
 
60A基本模块(左)可安装在壁柜(中)或立柜(右)中:模块并联可使滤波补偿系统的最大补偿电流达到600A。
 
 
图3:灵活的安装选项
 
和传统的功率因数校正(只能补偿感性负载)不同,PQSine系列有源谐波滤波器还能补偿容性无功功率元件。除了卓越的滤波能力,该系列滤波器还能平衡所有3相负载。此外,使用4线设备还能补偿零线电流。通过使用一系列自我监控系统还可确保最佳可靠性。其中最重要的功能包括过载保护、过热停机、过压和欠压保护以及风扇监控等。该系列滤波器配备7"和12.1"TFT彩色触摸屏,支持人性化输入和数据读取。PQSine还提供了很多用于控制、编程和诊断的标准接口,包括Ethercat100Mbit/s、USB、有源传感器总线接口和显示总线接口。

  
 
 
PQSine的3级输出拓扑(上)产生的输出电流更接近于正弦波(下),并且降低了损耗。
 
 
图4:3级输出拓扑
 
低损耗输出拓扑
很多有源滤波器在输出侧使用了2级IGBT电桥,换句话说,一个输出拓扑相当于6个脉冲变频器。另一方面,PQSine使用了一个包括12个IGBT(每相导线对应4个IGBT)的3级拓扑。与2级系统(图4)相比,3级拓扑的输出信号更接近于正弦波。在3级拓扑中,由于每个IGBT只需要切换工作电压的一半,切换损耗显著降低。
 
 
www.epcos.com

 
 
 
爱普科斯(EPCOS)PQSine有源谐波滤波器的关键数据
最小/最大输入电压[VAC]                                                              180–528(3P3WPQSine)180–460(3P4WPQSine)
额定频率[Hz]                                                                                  50/60Hz
补偿电流[A]                                                                                     60/模块
模块化                                                                                             可串联实现最高达600A的补偿电流
响应时间[µs]                                                                                   21

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