В промышленном производстве и коммерческих сценариях потребления электроэнергии широкое использование нелинейных нагрузок, таких как преобразователи частоты и выпрямительное оборудование, привело к резкому росту гармонических составляющих сети и снижению качества электроэнергии. Гармоники не только увеличивают потери в линии и сокращают срок службы оборудования, но и могут вызывать сбои в работе систем релейной защиты, что приводит к высоким расходам на техническое обслуживание и угрозам безопасности предприятий. В качестве основного устройства для современного подавления гармоник, АПФ (активный фильтр мощности) является предпочтительным решением для этих проблем благодаря своей гибкой адаптивности и точным возможностям фильтрации. Эта статья предоставляет предприятиям практическое руководство по выбору и применению АПФ (активного фильтра мощности) с точки зрения обнаружения гармоник, выбора АПФ (активного фильтра мощности), принципа работы АПФ (активного фильтра мощности) и эффектов практического применения АПФ (активного фильтра мощности), помогая эффективно решать проблемы гармоник.
I. Значительные проблемы с гармониками: почему мы должны выбрать APF (активный фильтр мощности) ?
Прежде чем анализировать выбор APF (активного фильтра мощности), необходимо сначала выяснить опасности гармоник и ограничения традиционных методов управления, чтобы понять незаменимость APF (активного фильтра мощности).
1. Основные опасности гармоник: комплексное воздействие от оборудования до затрат
В промышленных условиях нелинейные нагрузки, такие как преобразователи частоты и выпрямители, генерируют нечётные гармоники, в основном 5-го и 7-го порядков (в ряду Фурье гармоники имеют порядок 6k±1, где k — положительное целое число). Например, в цехе коэффициент гармонических искажений (THD) трёхфазного тока достигает 27,8–30,9%, что значительно превышает требования стандарта « Качество электроэнергии — Гармоники в сетях общего пользования» (GB/T14549-93), что приводит к ряду проблем:
- Повреждение оборудования : гармонические токи усиливают нагрев двигателей и трансформаторов, сокращая срок службы изоляции. На фармацевтическом предприятии наблюдалось 30%-ное увеличение частоты отказов преобразователей частоты из-за гармонических проблем.
- Повышенное потребление энергии : гармоники увеличивают потери в линии на 15–20%. Для цеха со среднемесячным потреблением электроэнергии 100 000 кВт·ч годовые дополнительные расходы на электроэнергию превышают 10 000 юаней.
- Угрозы безопасности : Гармоники могут мешать работе систем релейной защиты, вызывая ложное срабатывание выключателей и влияя на непрерывность производства.
2. Ограничения традиционных методов фильтрации: APF (активный фильтр мощности) становится неизбежным выбором
В настоящее время для управления гармониками используются два основных метода: «пассивная фильтрация» и «активная фильтрация с использованием АПФ». Пассивные фильтры имеют очевидные недостатки и трудно поддаются удовлетворению потребностей сложных условий эксплуатации:
- Низкая адаптивность : фильтрующие характеристики пассивных фильтров зависят от параметров сети. При изменении нагрузки цеха (например, при увеличении нагрузки с 50% до 100% в связи с корректировкой производственных задач) гармоническое сопротивление сети изменяется, и эффективность фильтрации значительно снижается.
- Склонность к перекомпенсации и резонансу : пассивные фильтры имеют ёмкостный характер. Если в цехе уже установлены устройства компенсации реактивной мощности (например, с коэффициентом мощности 0,92), их совместное использование приведёт к перекомпенсации реактивной мощности, повышению напряжения в сети и угрозе безопасности оборудования. Более того, они способны отфильтровывать только определённые гармоники, что может усилить гармоники других порядков и даже спровоцировать аварии, связанные с резонансом.
- Узкий диапазон покрытия : они не могут обрабатывать гармоники нескольких порядков, например, 3-го, 5-го, 7-го и 9-го, одновременно. Однако гармонические составляющие в промышленных условиях сложны, и одного пассивного решения для фильтрации сложно полностью решить эту проблему.
В отличие от этого, APF (активный фильтр мощности) может в реальном времени обнаруживать гармонические токи, динамически генерировать обратные компенсационные токи и точно компенсировать несколько порядков гармоник, идеально решая вышеуказанные проблемы и становясь основным выбором для управления гармониками в промышленности.
II. Ключевые этапы подготовки перед выбором АПФ (активного фильтра мощности): обнаружение гармоник и расчёт
Основой научного выбора активного фильтра мощности (APF) является точное определение гармонических составляющих сети. Основная задача включает в себя две задачи: измерение гармонических составляющих тока и расчёт коэффициента гармонических искажений, что обеспечивает точную основу для выбора активного фильтра мощности (APF).
1. Обнаружение гармоник: уточнение цели управления APF (активным фильтром мощности)
Обнаружение гармоник должно быть сосредоточено на ключевых параметрах со стороны нагрузки. На примере входной линии 10 кВ цеха (оснащённой устройствами компенсации реактивной мощности, коэффициент мощности 0,92) схема обнаружения и данные представлены ниже:
- Объект обнаружения : для источников гармоник, таких как преобразователи частоты и выпрямительное оборудование, соберите данные об основной гармонике и различных гармониках трехфазного тока (с особым вниманием к гармоникам с высоким содержанием, таким как 3-й, 5-й и 7-й порядки);
- Основные данные : Результаты измерения показывают, что основная гармоника тока фазы A составляет 510,59 А, 5-я гармоника — 116,81 А, 7-я гармоника — 74,98 А, общий коэффициент гармоник тока — 142,13 А, а общий коэффициент гармоник — 27,8%. Максимальный коэффициент гармоник тока фазы C — 30,9%, а гармоники в основном 5-го и 7-го порядков. Это даёт непосредственную основу для выбора фильтрующей способности активного фильтра мощности (APF).
2. Преобразование данных: соответствие реальным потребностям управления APF (фильтром активной мощности )
Обнаружение обычно проводится на этапе ввода оборудования в эксплуатацию, когда нагрузка ещё не полностью загружена (например, загрузка цеха во время испытаний составляет всего 54%). Необходимо перевести содержание гармоник в значения ниже 100% нагрузки, чтобы избежать недостаточной мощности фильтра активной мощности (ФАР):
- Формула преобразования : Гармонический состав при 100% нагрузке = Гармонический состав во время обнаружения ÷ Испытательная нагрузка;
- Пример расчета : максимальный гармонический состав цеха во время обнаружения составляет 142,30 А (фаза B), поэтому гармонический состав при 100% нагрузке составляет 142,30 А ÷ 0,54 ≈ 263,52 А;
- Учет запаса : в сочетании с колебаниями нагрузки (например, уровень нагрузки может временно превышать 100% в пиковый сезон производства) общая мощность управления APF (фильтра активной мощности) должна быть немного выше преобразованного значения, чтобы обеспечить эффект фильтрации при любых рабочих условиях.
III. Принцип работы APF (активного фильтра мощности): почему он может точно контролировать гармоники ?
Понимание логики работы АПФ (активного фильтра мощности) помогает предприятиям более точно оценить его адаптивность. Наиболее широко в современных промышленных условиях используется шунтирующий АПФ (активный фильтр мощности) , в основе которого лежит замкнутый контур управления «обнаружение-компенсация-смещение».
1. Основной рабочий процесс: динамическая компенсация APF (активного фильтра мощности )
- Обнаружение гармоник : APF (активный фильтр мощности) собирает ток на стороне нагрузки через датчики тока и разделяет основной ток и гармонический ток (I_Lh), используя такие алгоритмы, как теория мгновенной реактивной мощности;
- Генерация тока компенсации : инвертор внутри APF (фильтра активной мощности) генерирует в реальном времени ток компенсации (I_ch) с равной величиной и противоположным направлением относительно обнаруженного гармонического тока;
- Смещение гармоник : после подачи тока компенсации в сеть он смещается с током гармоник нагрузки, так что на стороне сети остается только ток основной гармоники (I_sh = I_Lh - I_ch ≈ 0), реализуя фильтрацию гармоник.
Если взять в качестве примера цех, то после ввода в эксплуатацию APF (активный фильтр мощности) может одновременно компенсировать гармоники нескольких порядков, например 3-го, 5-го, 7-го и 9-го, без необходимости отдельной настройки для разных гармоник, как в случае пассивных фильтров, что значительно повышает эффективность управления.
2. Эквивалентная схема и основные показатели: измерение производительности APF (активного фильтра мощности )
С точки зрения эквивалентной схемы, активный сетевой фильтр (APF) эквивалентен управляемому «источнику гармонических токов». Благодаря точному управлению выходным током он всегда поддерживает обратный баланс с гармоническим током нагрузки. Его основные показатели эффективности включают:
- Время отклика : высококачественный APF (активный фильтр мощности) имеет время отклика ≤100 мкс, что позволяет быстро отслеживать гармонические изменения и адаптироваться к колебаниям нагрузки;
- Точность фильтрации : степень фильтрации 5-й и 7-й гармоник может достигать более 95%, а общий уровень гармонических искажений может быть снижен с 30% до менее 5%, что соответствует требованиям национального стандарта;
- Расширение возможностей : поддерживается параллельная работа нескольких блоков APF (активных фильтров мощности), что позволяет гибко адаптировать оборудование к потребностям управления гармониками различных масштабов. Например, в цехе достигается большая компенсация мощности за счет объединения двух блоков APF (активных фильтров мощности).
IV. Практика выбора АПФ (активного фильтра мощности): полный процесс от мощности до установки
При выборе активного фильтра мощности (APF) необходимо учитывать такие факторы, как гармонические характеристики, характеристики нагрузки и условия установки, чтобы обеспечить «точное соответствие и эффективное управление». Конкретные шаги следующие:
1. Выбор мощности: определение основных параметров АПФ (активного фильтра мощности )
- Расчет базовой мощности : на основе общего содержания гармоник при нагрузке 100% с запасом 10–20% определите общую пропускную способность фильтра активной мощности (APF). Например, содержание гармоник в цехе при нагрузке 100% составляет около 263,52 А. С учетом запаса 14% требуется 263,52 А × 1,14 ≈ 300 А. Следовательно, два блока APF (активного фильтра активной мощности) по 150 А подключаются параллельно, с общей пропускной способностью 300 А, что полностью покрывает потребность.
- Выбор мощности отдельного блока : отдавайте предпочтение модульным блокам APF (активным силовым фильтрам) (например, с током 100 А, 150 А, 200 А) для удобства дальнейшего расширения. Если в будущем мастерская планирует добавить преобразователи частоты, количество блоков APF (активных силовых фильтров) можно увеличить без замены всего оборудования.
2. Место установки: обеспечение оптимального согласования между APF (активным фильтром мощности) и нагрузкой
Место установки АПФ (активного фильтра мощности) напрямую влияет на эффективность фильтрации, поэтому следует соблюдать принцип «ближе к источнику гармоник». Рассмотрим пример мастерской:
- План установки : установить АПФ (активный сетевой фильтр) параллельно шине со стороны нагрузки (возле распределительного щита преобразователей частоты и выпрямительного оборудования) вместо конца входящей линии 10 кВ;
- Преимущества : он позволяет напрямую компенсировать гармоники, генерируемые нагрузкой, предотвращая их передачу по внутренним линиям цеха и снижая потери в линии. При этом фильтр активной мощности (APF) не мешает работе существующих устройств компенсации реактивной мощности, устраняя необходимость беспокоиться о реактивной перекомпенсации.
3. Дополнительные функции: повышение практичности и безопасности APF (активного фильтра мощности)
При выборе следует также обратить внимание на дополнительные функции АПФ (активного фильтра мощности) для удовлетворения сложных потребностей промышленных сценариев:
- Функция связи : поддерживает связь RS485 или Ethernet, которую можно подключить к системе мониторинга цеха для просмотра в реальном времени рабочего состояния APF (активного фильтра мощности) (например, ток компенсации, скорость фильтрации гармоник);
- Функция защиты : Оснащен защитой от перегрузки по току, перенапряжения и перегрева. При отклонении напряжения сети от нормы или выходе из строя активного фильтра мощности (APF) устройство автоматически отключается, предотвращая повреждение оборудования.
- Адаптивная регулировка : устройство может автоматически регулировать компенсационную мощность в соответствии с изменениями нагрузки. Например, при отключении какого-либо оборудования в цехе активный фильтр мощности (APF) снижает ток компенсации, чтобы снизить собственное энергопотребление.
V. Эффекты применения APF (активного фильтра мощности): данные свидетельствуют об улучшении качества
После установки в цехе двух блоков APF (активных фильтров мощности) на 150 А, благодаря фактическому измерению и проверке достигается значительный эффект управления гармониками, что обеспечивает предприятию многочисленные преимущества:
1. Соответствие стандартам качества электроэнергии: основное значение APF (активного фильтра мощности )
Фильтр активной мощности (APF) обеспечивает фильтрацию более 95% гармоник 3-го, 5-го, 7-го и 9-го порядков. Коэффициент гармонических искажений трёхфазного тока снижается с 27,8–30,9% до менее 5%, что полностью соответствует требованиям « Качества электроэнергии – Гармоники в сетях общего пользования» , а работа сети становится более стабильной.
2. Снижение энергопотребления и затрат: экономические преимущества APF (активного фильтра мощности )
- Снижение потерь в линии : после устранения гармоник потери в линии снижаются примерно на 18%. Для цеха со среднемесячным потреблением электроэнергии 100 000 кВт·ч годовая экономия затрат на электроэнергию превышает 15 000 юаней.
- Увеличенный срок службы оборудования : снижается нагрев двигателей, трансформаторов и другого оборудования, частота отказов снижается на 30%, снижаются затраты на техническое обслуживание, а цикл замены оборудования увеличивается с 5 до 7 лет;
- Повышение эффективности производства : исключаются сбои в работе систем релейной защиты, вызванные гармониками, улучшается непрерывность производства, а ежегодные потери, вызванные простоями, сокращаются более чем на 100 000 юаней.
Заключение: APF (активный фильтр мощности) — предпочтительное решение для оптимизации
С ростом числа нелинейных нагрузок проблемы с гармониками стали важным фактором, сдерживающим снижение затрат и повышение эффективности предприятий. Фильтр активной мощности (APF) представляет собой эффективное решение для управления промышленными гармониками, предлагая такие преимущества, как точная фильтрация, гибкая адаптация и высокая безопасность. Благодаря научному подходу к обнаружению гармоник, разумному выбору мощности APF и оптимизированной установке и развертыванию, APF может не только помочь предприятиям соответствовать стандартам качества электроэнергии, но и снизить энергопотребление, продлить срок службы оборудования и добиться двойного улучшения: как экономической, так и безопасности.
Если на вашем предприятии возникли проблемы с гармониками, пожалуйста, оставьте нам сообщение с указанием типа нагрузки в цехе (например, мощности преобразователя частоты, количества выпрямительного оборудования), коэффициента гармонических искажений тока и других параметров. Компания Hengrong Electric CO., LTD. предоставит вам индивидуальный выбор активного фильтра мощности (APF) и решение для подавления гармоник , чтобы помочь вашему предприятию создать более эффективную и стабильную среду потребления электроэнергии!