В промышленном производстве гармоники, генерируемые нелинейными нагрузками, такими как преобразователи частоты и выпрямительное оборудование, приводят к снижению качества электроэнергии в электросети, сокращению срока службы оборудования и увеличению потерь в линии. APF (активный сетевой фильтр) как эффективное устройство подавления гармоник требует научного подхода к выбору для решения подобных задач. В данной статье, объединяющей данные измерений и технический анализ, подробно рассматривается весь процесс выбора APF с точки зрения обнаружения гармоник, критериев выбора APF, принципов работы и условий монтажа, что позволяет предприятиям получить практические решения для подавления гармоник.
I. Промышленные гармоники и необходимость АПФ
Необходимо срочно решить проблемы с гармониками, вызванные нелинейными нагрузками в цехах. Традиционная пассивная фильтрация имеет очевидные ограничения, и фильтры с АПФ стали предпочтительным вариантом благодаря своим уникальным преимуществам.
1. Характеристики и опасности промышленных гармоник
В цехе установлено большое количество низковольтных преобразователей частоты (в том числе и высокой мощности). Такое оборудование и выпрямительные устройства генерируют только нечётные гармоники (разложенные в ряд Фурье, гармоники переменного тока имеют порядок 6k±1, где k — положительное целое число). Измеренные данные показывают, что:
• Для фазы A: общий ток составляет 530,00 А, основной ток составляет 510,59 А, 3-я гармоника составляет 15,03 А, 5-я гармоника составляет 116,81 А, 7-я гармоника составляет 74,98 А, 9-я гармоника составляет 4,21 А, 11-я гармоника составляет 21,41 А, 13-я гармоника составляет 7,78 А, 17-я гармоника составляет 11,04 А, 19-я гармоника составляет 7,06 А, общее содержание гармонических токов составляет 142,13 А, а общее гармоническое искажение (THD) составляет 27,8%;
• Для фазы B: общий ток составляет 488,97 А, основной ток составляет 467,81 А, 3-я гармоника составляет 19,65 А, 5-я гармоника составляет 114,50 А, 7-я гармоника составляет 77,11 А, 9-я гармоника составляет 6,36 А, 11-я гармоника составляет 22,61 А, 13-я гармоника составляет 7,11 А, 17-я гармоника составляет 12,28 А, 19-я гармоника составляет 7,35 А, общее содержание гармонических токов составляет 142,30 А, а THD составляет 30,3%;
• Для фазы C: общий ток составляет 471,55 А, основной ток составляет 450,45 А, 3-я гармоника составляет 13,86 А, 5-я гармоника составляет 114,80 А, 7-я гармоника составляет 73,47 А, 9-я гармоника составляет 4,66 А, 11-я гармоника составляет 21,24 А, 13-я гармоника составляет 6,63 А, 17-я гармоника составляет 10,82 А, 19-я гармоника составляет 7,35 А, общее содержание гармонических токов составляет 139,49 А, а THD составляет 30,9%.
Эти данные значительно превышают требования соответствующих национальных стандартов. Высокое содержание гармоник не только сокращает срок службы электрооборудования и нарушает работу систем релейной защиты, но и увеличивает потери в линии, существенно повышая производственные затраты предприятий.
2. Ограничения пассивной фильтрации и преимущества АПФ
Современные методы подавления гармоник в основном делятся на пассивную и активную фильтрацию. В сочетании с реальными условиями цеха (оборудованного устройствами компенсации реактивной мощности с коэффициентом мощности 0,92) пассивная фильтрация имеет три основные проблемы, которые APF позволяет полностью избежать:
• Низкая ад
аптивность : фильтрующие характеристики пассивных фильтров сильно зависят от параметров системы. При изменении нагрузки в цехе гармоническое сопротивление сети уменьшается, и соответственно снижается эффективность фильтрации.
• Легко вызвать перекомпенсацию : пассивные фильтры имеют ёмкостный характер. При использовании в сочетании с существующими устройствами компенсации реактивной мощности они могут вызвать перекомпенсацию реактивной мощности, что приведёт к снижению коэффициента мощности и аномальному повышению напряжения в сети, что ставит под угрозу безопасность оборудования.
• Узкий гармонический охват: гармоники в мастерской в основном 5-го и 7-го порядков, а также 3-го, 9-го, 11-го и других. Пассивные фильтры могут подавлять только определённые порядки гармоник и даже усиливать другие гармоники или вызывать резонанс.
В отличие от этого, APF может отслеживать гармонические изменения в реальном времени и динамически компенсировать несколько порядков гармоник, что делает его оптимальным выбором для подавления гармоник в цехе.
II. Обнаружение и расчет гармоник перед выбором АПФ
Точное получение гармонических данных является необходимым условием для научного выбора APF. Для уточнения целевого показателя снижения APF и требований к производительности необходимы стандартное обнаружение и преобразование коэффициента нагрузки.
1. Обнаружение гармоник: уточнение цели снижения АПФ
В цехе проводится обнаружение гармоник в системе входящей линии 10 кВ с установленными на стороне нагрузки устройствами компенсации реактивной мощности. Анализируются такие ключевые параметры, как полный ток, ток основной гармоники и ток гармоник каждой фазы для каждого порядка.
Метод расчёта полного содержания гармоник тока: возвести в квадрат и суммировать гармонические токи (среднеквадратические значения), начиная со второго порядка, затем извлечь квадратный корень из результата. Метод расчёта полного коэффициента гармонических искажений (THD): разделить полное содержание гармоник тока на ток основной гармоники (среднеквадратическое значение) и умножить на 100%.
Результаты обнаружения показывают, что гармоники в цехе в основном имеют 5-й и 7-й порядки, что требует целенаправленного смягчения с помощью АПФ.
2. Преобразование скорости нагрузки: определение требований к мощности APF
Обнаружение проводится на этапе ввода оборудования в эксплуатацию, когда нагрузка цеха не полная, при измеренном уровне нагрузки 54%. Чтобы обеспечить эффективную фильтрацию гармоник с помощью APF в условиях полной нагрузки, необходимо преобразовать общий уровень гармоник в уровень при 100% нагрузке:
• Логика преобразования c : Общий уровень гармоник при 100% нагрузке = Общий уровень гармоник во время обнаружения ÷ Уровень испытательной нагрузки;
• Пример расчета : обнаруженный общий гармонический состав фазы B составляет 142,30 А, поэтому общий гармонический состав при 100% нагрузке составляет 142,30 А ÷ 0,54 ≈ 263,52 А;
• Учет запаса : в сочетании с колебаниями нагрузки в пиковый сезон производства (которые могут временно превышать 100%) общая мощность смягчения APF должна резервировать разумный запас, чтобы избежать недостаточной мощности.
III. Принцип работы АПФ
Шунтирующий фильтр с фазовым фильтром (ФФ), широко применяемый в промышленности, обеспечивает фильтрацию гармоник посредством замкнутого контура управления «детектирование-компенсация-смещение». Принцип его работы лежит в основе технической базы выбора.
1. Основной процесс фильтрации
• Гармоническое обнаружение:
Фильтр мощности собирает ток нагрузки через датчики тока и разделяет основной ток и гармонический ток, используя специальные алгоритмы;
• Генерация компенсационного тока : инвертор внутри APF генерирует компенсационный ток равной величины и противоположного направления на основе гармонического тока;
• Гармоническое смещение: после подачи компенсационного тока в сеть он компенсируется гармоническим током нагрузки, приближая гармонический ток в сети к нулю. С точки зрения эквивалентной схемы, гармонический ток в сети равен гармоническому току в нагрузке за вычетом компенсационного тока, выдаваемого фильтром компенсации (APF). Когда компенсационный ток, выдаваемый фильтром компенсации (APF), равен гармоническому току в нагрузке, гармонический ток в сети становится равным нулю, что обеспечивает идеальную фильтрацию.
2. Ключевые характеристики производительности
Фильтрующий эффект АПФ определяется его основными характеристиками. Качественный АПФ должен соответствовать следующим требованиям:
• Быстрый отклик: время отклика не
превышает 100 микросекунд, что позволяет отслеживать в реальном времени динамические гармонические изменения в цехе;
• Высокая скорость фильтрации: скорость фильтрации 5 -й и 7-й гармоник превышает 95%, что позволяет снизить общие гармонические искажения с 30% до менее 5%;
• Гибкое расширение: поддержка параллельного соединения нескольких устройств для адаптации к потребностям подавления гармоник при различных масштабах нагрузки.
IV. Выбор и установка АПФ
В сочетании с гармоническими данными и характеристиками нагрузки выбор APF должен точно соответствовать мощности и разумно планировать место установки для максимального эффекта смягчения.
1. Выбор мощности: соответствие требованиям
• Расчет мощности: на основе
к общему содержанию гармоник при 100% нагрузке (263,52 А) добавьте запас 10–20 % и, наконец, определите, что общая способность подавления помех АПФ должна составлять приблизительно 300 А;
• Конфигурация оборудования: выберите два модульных АПФ по 150 А, соединенных параллельно, с общей способностью смягчения 300 А, что не только удовлетворяет текущим потребностям, но и оставляет место для будущего расширения нагрузки;
• Принцип выбора: отдавайте приоритет модульным APF с единичными блоками, имеющими мощность 100 А, 150 А, 200 А и т. д., что упрощает добавление или сокращение оборудования в будущем.
2. Место установки: повышение эффективности
Установка АПФ осуществляется по принципу «близости к источникам гармоник». Конкретный план: подключение АПФ осуществляется параллельно шинам со стороны нагрузки (рядом с распределительным щитом преобразователя частоты и выпрямительного оборудования), а не к клемме входной линии 10 кВ.
Этот план позволяет напрямую компенсировать гармоники, генерируемые нагрузкой, снизить потери при передаче гармоник во внутренних линиях цеха и избежать помех для существующих устройств компенсации реактивной мощности.
V. Эффекты применения АПФ
После установки двух АПФ по 150 А в цехе были получены значительные результаты, дающие преимущества в трех аспектах: качество электроэнергии, контроль затрат и срок службы оборудования:
• Квалифицированное качество электроэнергии: АПФ эффективно фильтрует гармоники 3-го, 5-го, 7-го, 9-го и других порядков, снижая общий коэффициент гармонических искажений с 27,8%-30,9% до уровня ниже 5%, что соответствует требованиям соответствующих национальных стандартов;
• Сокращение затрат: потери на линии уменьшаются , что позволяет сэкономить более 15 000 юаней на оплате электроэнергии в год, избегая при этом штрафов за электроэнергию, вызванных низким коэффициентом мощности;
• Защита оборудования: снижение тепловыделения двигателей , трансформаторов и другого оборудования, снижение частоты отказов на 30%, продление срока службы и снижение затрат на техническое обслуживание и замену.
VI. Заключение: APF — предпочтительный выбор для снижения влияния промышленных гармоник
Благодаря преимуществам динамической компенсации, фильтрации гармоник многопорядкового типа и гибкой адаптации, фильтр APF стал основным устройством для решения проблем, связанных с гармониками в промышленности. Благодаря стандартному обнаружению гармоник, точному расчёту мощности, а также разумным монтажу и развертыванию, фильтр APF может эффективно повышать качество электроэнергии и оказывать предприятиям мощную поддержку в снижении затрат и повышении эффективности.
Если в вашем цехе есть похожие проблемы с гармониками, сообщите нам тип нагрузки, коэффициент гармонических искажений тока и другие параметры. Компания Hengrong Electric CO., LTD разработает для вас эксклюзивное решение по снижению гармоник на основе технологии выбора APF!