-
有源濾波器
鎖定
- 中文名
- 有源濾波器
- 外文名
- APF(active power filter )
- 作 用
- 用於動態抑制諧波
- 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
有源濾波器基本概念
三相電路瞬時無功功率理論是APF發展的主要基礎理論;APF有並聯型和串聯型兩種,前者用的多;並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,是採用現代電力電子技術和基於高速DSP器件的數字信號處理技術製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,並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,並以脈寬調製(PWM)信號形式向補償電流發生電路送出驅動脈衝,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
基於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,佔用更少空間 ,
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
模塊化
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 響應時間小於300μs
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
EN 50091-3, EN 61000-6-2, EN55011, EN 50178:1997, IEC 62040-3, IEC 50178:1997, AS 62040-3(VFI SS 111), CISPR11
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)》
電壓輸入範圍
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,並 發出告警。
自動限流
自動限定在額定容量範圍內100%輸出,如果負載側諧波電流大於機 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衝擊,在短路消除後重新啓動。
並聯獨立控制
三相電流獨立控制
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、功率器件過温、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,同時機器自動採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,便於分析原因 及排除故障。
有源濾波器設計方法
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。
有源濾波器級聯法
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),並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後再級聯起來,就實現了原轉移函數。實現低階函數的電路通稱為基本節,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。
有源濾波器模擬法
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,並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是複頻率,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。
有源濾波器基本應用
諧波主要危害:
· 產生脈動轉矩致使電動機振動,影響產品質量和電機壽命;
· 諧波變改變了電壓或電流的變化率和峯值,延緩電弧熄滅,影響斷路器的分斷容量;
諧波治理經濟效益:
1、節能5%~8%
2、降容減少變壓器、斷路器、電纜投資
河南某紙廠變頻器產生的諧波每月燒燬兩台風機,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後日產量從197噸提高到210噸。
有源濾波器優缺點
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,最高適用電網電壓不超過690V。
有源濾波器應用場合
有源電力濾波器可廣泛應用於工業、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,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,並且使配電系統更符合諧波環境的設計規範。
大多數半導體行業的3次諧波非常嚴重,主要是由於企業中使用了大量的單相整流設備。3次諧波屬於零序諧波,具備在中性線彙集的特點,導致中性線壓力過大,甚至出現打火現象,存在着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
由於生產的需要,石化行業中存在着大量泵類負載,並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。絕大部分變頻器整流環節都是應用6脈衝將交流轉化為直流,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
■鋼鐵/中頻加熱行業
■汽車製造業
焊機是汽車製造業中不可少的設備,由於焊機具有隨機性、快速性及衝擊性的特點,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於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
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
有源濾波器發展狀況
隨着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,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櫃式APF,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,並被市場廣泛的認可。
有源濾波器工作原理
有源濾波器是用電流互感器採集直流線路上的電流,經採樣,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,作為的調製信號,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後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
有源濾波器產品特點
1.濾波精度高,諧波電流濾除率可達97%以上;
3.對負載的波動響應快,響應時間為1us;
6.可多台組合擴展容量;
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盪;
10、系統的自我保護和穩定性強。
有源濾波器技術參數
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:小於容量的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
有源濾波器性能説明
1.動態有源濾波,全面改善電能質量;
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,滿載損耗小於2.57;
8.並聯安裝方式,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,並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可位於電源側或負載側;
12.易於擴展和冗餘設計,可最多10台並聯運行。
有源濾波器展望
有源濾波器的改進,一方面有賴於元器件及集成技術的進展,一方面也取決於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佔芯片面積太大。開關電容濾波器為解決這一課題開闢了道路,實現了全集成化;但它屬於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。
有源濾波器歷史發展
於1915年德國K.W.華格納和美國貝爾實驗室的G.A.坎貝爾,分別發表了關於濾波器的論文,已被世界公認為濾波器的獨立發明者。
1939年德國W.考爾和美國S.達靈頓分別提出工作參數濾波器設計理論。由於許多電路和系統都要區分不同頻率的信號,濾波器遂被廣泛地用在通信、廣播、雷達以及許多儀器和設備中。
許多複雜的多極LC濾波器也已經存在了好多年了,有許多這方面的書籍講述這類濾波器的工作。