低估电能质量和电磁兼容性之间关系的重要性不再是一种可行的选择
 
作者： Schaffner Industrial公司Alexander Kamenka
 
当设计师致力于开发新的电子产品或组件时，他们经常很难考虑电磁兼容性（EMC）问题，以及这对电磁干扰（EMI）意味着什么。当然，解决这个问题的最佳方法是将过滤器纳入原始设计过程，Schaffner与世界各地的设计师合作，帮助他们理解过滤器的重要性。
然而，人们往往没有充分认识到电能质量在这一过程中所起的作用，特别是电能质量和EMC之间的关系有多重要。在设计产品时，有足够意识专注于EMC/EMI问题的设计师也必须考虑电能质量。如果这三个因素都没有得到正确解决，同时，对产品或与之交互的设备的损坏几乎肯定会是结果。
 
为什么电能质量很重要？
我们生活在一个日益电气化的世界。电力的连续性、电力的质量和电力的可用性在今天很重要，但在未来将变得至关重要。这就是为什么工程师需要了解如何最大限度地利用所有这些，并知道有什么解决方案可用。
简而言之，如果你想可靠有效地利用能源，那么你必须接受EMC的概念，并将其与提供高质量的电力相结合。将电能质量放在首位对我们的现代生活至关重要。否则，我们所依赖的电子设备将无法达到我们所需的可靠性和效率水平。
从更大的角度来看，能源将被浪费，电网和电力线的效率将受到损害，设备停机时间将增加，损坏也将发生。此外，从财务角度来看，据估计，电能质量问题每年给欧盟的企业和组织造成约100亿欧元的损失。这显然为各地的工程师解决这个问题提供了强大的动力。
在试图理解EMC和电能质量之间的关系时，重要的是要了解它们之间的差异与电源频率有关。在欧洲，电源频率通常从50Hz开始，最高可达几MHz，具体取决于应用。在电能质量方面，需要关注的重要范围是50 Hz至2.5 KHz左右，这是欧洲电能质量标准EN 50160所涵盖的。EMC/EMI通常在2.5 KHz的频率下成为问题。
 
谐波失真
当电能质量没有达到应有的水平时，这主要是由于供电系统的谐波失真（HD）问题造成的。HD是指信号波形发生变化，引入不需要的谐波时发生的情况。它会扰乱电气系统，导致过热、设备损坏以及能源传输和消耗效率低下。功率越失真，能量的效率和可靠性就越低。在许多国家，法律规定了最高HD水平。


图1：不需要的谐波会扰乱电气系统，导致过热、设备损坏以及能源传输和消耗效率低下
 
在工业中，大量的问题和故障是由电能质量差引起的。设备可能会变得比预期更热，需要提前更换，从而产生可避免的成本。例如，如果制造设施中的电机驱动器发生故障，这可能会使整个生产过程停止。即使没有发生故障，糟糕的电能质量也会导致机器运行效率降低，可靠性降低，从而导致延误、中断和更多不必要的费用。通过解决谐波失真和消除损耗，工厂主可以保持其设施以最高效率运行，同时将成本降至最低。
在21世纪，电机驱动器是迄今为止电子设备中使用最多的设备，节能变速驱动器在工厂中得到了广泛的应用。事实上，如今高达50%的能源消耗与电机有关。这样做的缺点是，电机的激增不可避免地增加了电网中存在的谐波失真水平。虽然可以在实验室中根据标准检查单个变速驱动器，但挑战在于当100个或更多变速驱动器必须在大型生产设施中一起运行时会发生什么。


图2：电动机增加了电网中存在的谐波失真水平
 
电能质量“黑魔法”
不幸的是，今天的许多工程师仍然将电能质量和EMC之间的关系视为某种难以理解的“黑魔法”。然而，工程师应该始终寻求降低中断风险、提高效率并提高电力和电磁环境的整体质量，这一事实并不神秘。为此，他们需要解决电压稳定性、波形失真、电磁兼容性和抗干扰性等至关重要的因素。
无论是设计产品还是建立工厂，都不可能忽视电能质量问题。EMC和电源质量必须始终在驱动器中一起解决，以尽量减少损失。虽然工程师需要着眼于大局，而不仅仅是专注于解决电磁干扰或提高电能质量，但全球很少有解决方案提供商可以帮助他们处理整个频谱。
 
电能质量和EMC解决方案
多年来，Schaffner一直专注于同时解决电能质量和EMC问题的解决方案。它们包括输入和输出滤波器、无源和有源谐波滤波器、电抗器和电能质量模拟器。
输入滤波器通过处理谐波和无功功率、降低电磁干扰、平滑电源电压和滤除不需要的噪声，确保稳定和清洁的电力输送。输出滤波器消除信号中的噪声和纹波，确保平稳稳定的电压输出，提高性能和可靠性。Schaffner的输出滤波器不仅可以减少功率损耗，还可以让客户使用更长的电力电缆，这在采矿等应用中至关重要。
无源谐波滤波器衰减特定频率，而有源滤波器主动抵消谐波，改善电能质量并减少失真。电抗器通常与其他滤波器结合使用，作为整体解决方案的一部分，通过控制电流、降低HD和稳定电压水平来提高电能质量并保护设备免受损坏。
Schaffner的一个独特之处在于其电能质量模拟器的开发。在许多应用中，模拟是唯一可行的选择，例如，如果工厂尚未建成，但仍需要对设备进行计算，以便就投资和预算达成一致。现在，工程师们有了一个工具，可以计算所需的滤波器数量。他们将驱动器数量、电源、负载和电缆长度等因素输入电能质量模拟器，模拟器计算出失真水平并提出最佳滤波器解决方案，包括需要多少滤波器以及在哪里。设备安装后，模拟器可用于检查其计算是否与现实相符。这个非常强大的工具类似于工程人工智能。
 

图3：电能质量模拟器有助于计算所需的滤波器数量
 
结论
总之，拥有良好的电能质量和电磁兼容的电子设备是现代世界的重要因素。如果我们想可靠有效地利用能源，那么我们需要实现最高水平的EMC和电能质量。不幸的是，在现实世界中，情况并没有达到应有的水平。仍然有太多与高度扭曲相关的问题，处理这些问题对我们今天的生活方式至关重要。如果不是这样，我们就不能指望我们的现代设备可靠有效地工作，我们的生活质量也会降低。
 
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