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发表于 2008-7-27 11:15:09
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3 谐波知识
" ?' d, V! ~" Z7 x0 P 对该问题的介绍基于以下几个方面：基本原理，主要现象和防止谐波故障的建议。 由于功率转换（整流和逆变）而导致配电系统污染的问题早在1960年代初就被许多专家意识到了。直到1980年代初，日益增长的设备故障和配电系统异常现象，使得解决这一问题成为迫在眉睫的事情。 今天，许多生产过程中没有电力电子装置是不可想象的。至少以下用电设备在每个工厂都得到了应用： - 照明控制系统（亮度调节） - 开关电源（计算机，电视机） - 电动机调速设备 - 自感饱和铁芯 - 不间断电源 - 整流器 - 电焊设备 - 电弧炉 - 机床（CNC） - 电子控制机构 - EDM机械 所有这些非线性用电设备产生谐波，它可导致配电系统本身或联接在该系统上的设备故障。 仅考虑导致设备故障的根源就在发生故障现象的用电工厂内可能是错误的。故障也可能是由于相邻工厂产生的谐波影响到公用配电网络而产生的。 在您安装一套功率因数补偿系统之前，如下工作是非常重要的：对配电系统进行测试以确定什么样的系统结构对您是合适的。 可调谐的滤波电路和组合滤波器已经是众所周知的针对谐波问题的解决方案。另外的方法就是使用动态有源滤波器。本报告将详细讲解各种滤波系统的结构并分析它们的优缺点。 1.基本术语 载波 (AF) 是附加在电网电压上的一个高频信号，用于控制路灯、 HT/NT 转换系统和夜间储能加热器。 载波 (AF) 检出电路 由一个初级扼流线圈和一个并联谐振电路（次级扼流线圈和电容）并联组成的元件。 AF 锁相电路用于检出供电部门加载的 AF 信号。 电抗 在电容器回路串联扼流线圈。 电抗系数 扼流线圈的电感 X L 相对于电容电感 X C 的百分比。 标准的电抗系数是：例如 5.5% 、 7% 和 14% 。 组合滤波器 两个不同电抗系数回路并联以检出杂波信号，用于低成本地清洁电网质量。 Cos Φ 功率因数代表了电流和电压之间的相位差。电感性的和电容性的 cosΦ 说明了电源的质量特性。用 cosΦ 可以表述电网中的无功功率分量。 傅立叶分析 通过傅立叶分析使得将非正弦函数分解为它的谐波分量成为可能。在正弦频率 ω 0 上的波形已知为基波分量。在频率 n × ω 0 上的波形被称为谐波分量。
+ t+ J8 P9 x" }+ i O f2 L谐波吸收器，调谐的 ) A6 Z, K* u- A* Z s# q$ M3 ?8 n
由一个扼流线圈和一个电容器串联组成的谐振电路并调谐为对谐波电流具有极小的阻抗。该调谐的谐振电路用于精确地清除配电网络中的主要谐波成分。
8 ]" m# t2 S/ r" Q) m5 a) m. [谐波吸收器，非调谐的
" }4 H! }: P+ U7 z0 J" h1 } D由一个扼流线圈和一个电容器串联组成的谐振电路并调谐为低于最低次谐波的频率以防止谐振。 & m! p# v) I( j$ }# g7 p/ o. O
谐波电流
" H9 l/ d! _6 ?谐波电流是由设备或系统引入的非正弦特性电流。谐波电流叠加在主电源上。
0 Z& \# [1 z3 [2 }2 ?谐波
1 }& F% Q x8 l8 M2 q8 }9 P5 F# q其频率为配电系统工作频率倍数的波形。按其倍数称为 n 次（ 3 、 5 、 7 等）谐波分量。
) {/ s" m" ~5 s谐波电压 : K) R( F$ ?/ C7 ?7 }
谐波电压是由谐波电流和配电系统上产生的阻抗导致的电压降。
" l: X1 n/ e+ K阻抗 3 a$ O2 C# l. C) h/ l8 z
阻抗是在特定频率下配电系统某一点产生的电阻。阻抗取决于变压器和连在系统上的用电设备，以及所采用导体的截面积和长度。
) B( k6 U5 s! @1 A; C* X. R1 d阻抗系数 ( d+ C, o5 B) E
阻抗系数是 AF （载波）阻抗相对于 50Hz （基波）阻抗的比率。 " c- S0 V7 ^5 u
并联谐振频率 * H* L' l+ V. x+ |: [
网络阻抗达到最大值的频率。在并联谐振电路中，电流分量 I L 和 I C 大于总电流 I 。
; W; x. x3 c; r/ D. F+ I8 B无功功率 V3 w, Q, q" {1 {
电动机和变压器的磁能部分，以及用于能量交换目的的功率转换器等处需要无功功率 Q 。与有功功率不同，无功功率并不做功。计量无功功率的单位是 Var 或 kvar 。 " S. M, p6 E/ G- \2 n- F* o4 Z# a
无功功率补偿
+ }, o7 |5 M( F. j" `供电部门规定一个最小功率因数以避免电能浪费。如果一个工厂的功率因数小于这个最小值，它要为无功功率的部分付费。否则它就应该用电容器提高功率因数，这就必须在用电设备上并联安装电容器。
' E- `$ p. B0 I. i. v" |0 [% f, D谐振：
- A$ T: J5 T( E' [' O r# j @在配电系统里的设备，与它们存在的电容 ( 电缆，补偿电容器等 ) 和电感 ( 变压器，电抗线圈等 ) 形成共振电路。后者能够被系统谐波激励而成为谐振。配电系统谐波的一个原因是变压器铁芯非线性磁化的特性。在这种情况下主要的谐波是 3 次的；它在全部 导体内与单相分量具有相同的长度，因而在星形点上不能消除。
% R% \, R2 |( B$ A谐振频率：
7 ^/ Q7 I" n- i- W5 e每个电感和电容的连接形成一个具有特定共振频率的谐振电路。一个网络有几个电感和电容就有几个谐振频率。 5 E5 v3 T+ T$ T5 v7 R: T
串联谐振谐电路：
0 N6 Z& I9 t5 f3 f) \& S. x由电感（电抗器）和电容 ( 电容器 ) 串联的电路。 7 X) l1 b, l1 U$ W8 G* v
串联谐振频率： 4 S8 Y1 f0 h/ m+ C, Q9 n5 H" M
网络的阻抗水平达到最小的频率。在串联谐振电路内分路电压 U L 和 U C 大于总电压 U 。
! F0 t; P/ n |3 o" p' _8 ~分量谐波 0 k* \+ a9 |. y( w, h
频率不是基波分量倍数的正弦曲线波。 . g" g3 v3 q% K. ?- l1 B
2. 谐波是什么？
% r1 @# ^1 _! @# _- r2 o5 n谐波是主电网频率的倍数。 术语“电网谐波 也被使用。 ; l6 S1 D3 t; A
电网频率 f = 50 赫兹
! ~' P) J2 j( G. A. _3 次谐波 f = 150 赫兹
6 F( u" o" d4 }* I. ^+ n5 次谐波 f = 250 赫兹 3 B2 ]/ b7 T; ?& n( S. k' F P
7 次谐波 f = 350 赫兹 , K+ }" }. z* U5 N2 D
等
! f; r V' Q( l( ` o用傅立叶分析能够把非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数。 ' D+ a e3 r8 k7 ]4 J: n2 g
3.谐波分量是如何产生的？ ( w2 O1 Z# a2 \& R1 }. O- C
由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器比较大的背离正弦曲线波形。
+ a: h6 y( w; K. J& l' C谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。6脉冲设备仅有5、7、11、13、17、19 ….n倍于电网频率。 功率变换器的脉冲数越高，最低次的谐波分量的频率的次数就越高。
5 N4 U& y; C6 R; T其他功率消耗装置，例如荧光灯的电子控制调节器产生大强度的3 次谐波( 150 赫兹)。
6 F; ~0 q; {. _. i7 @在供电网络阻抗( 电阻) 下这样的非正弦曲线电流导致一个非正弦曲线的电压降。 在供电网络阻抗下产生谐波电压的振幅等于相应谐波电流和对应于该电流频率的供电网络阻抗Z的乘积。 次数越高，谐波分量的振幅越低。
& d) ^7 y9 ^! K7 O# C4.谐波分量在哪里发生的？
! n s Y5 m. x G$ x8 O9 s4 {只要哪里有谐波源( 参看介绍) 那里就有谐波产生。也有可能，谐波分量通过供电网络到达用户网络。 例如，供电网络中一个用户工厂的运转可能被相邻的另一个用户设备产生的谐波所干扰。5.电容器的技术 6 u K& l, `/ Q# s! B
MKP 和 MPP 技术之间的区别在于电力电容器在补偿系统中的连接方式。 ! _3 b6 E! g5 h& g0 ?6 f# S
MKP( MKK ， MKF) 电容器： 8 N1 s: D# \ ~ ^. t. q
这项技术是在聚丙烯薄膜上直接镀金属。其尺寸小于用 MPP 技术的电容器。因为对生产过程较低的要求，其制造和原料成本比 MPP 技术要相对地低很多。 MKP 是最普遍的电容器技术，并且由于小型化设计和电介质的能力，它具有更多的优点。
4 t0 o- |7 s9 A) ?; \* yMPP( MKV) 电容器： 9 S! f: T8 v- m9 r* J
MPP 技术是用两面镀金属的纸板作为电极，用聚丙烯薄膜作为介质。这使得它的尺寸大于采用 MKP 技术的电容器。生产是非常高精密的，因为必须采用真空干燥技术从电容器绕组中除去全部残余水分而且空腔内必须填注绝缘油。这项技术的主要优势是它对高温的耐受性能。 ; t* ~0 _: S/ v
自愈：
/ @6 _: [, J# p2 d) I k: f5 L两种类型的电容器都是自愈式的。在自愈的过程中电容器储存的能量在故障穿孔点会产生一个小电弧。电弧会蒸发穿孔点临近位置的细小金属，这样恢复介质的充分隔离。电容器的有效面积在自愈过程中不会有任何实际程度的减少。每只电容都装有一个过压分断装置以保护电气或热过载。测试是符合 VDE 560 和 IEC 70 以及 70A 标准的。
1 O i3 l V1 v4 c6. 电容器的发展 * s' p3 n: U- d- p9 \2 t4 ]
直到大约1978年，制造电力电容器仍然使用包含PCB的介质注入技术。后来人们发现，PCB 是有毒的，这种有毒的气体在燃烧时会释放出来。这些电容器不再被允许使用并且必须处理，它们必须被送到处理特殊废料的焚化装置里或者深埋到安全的地方。 0 L: t2 ~1 [! M9 J
包含PCB 的电容器有大约30 W/kvar的功率损耗值。 电容器本身由镀金属纸板做成。 $ N- P* G) y# ^/ j( e- h
由于这种电容被禁止使用，一种新的电容技术被开发出来。为了满足节能趋势的要求，发展低功耗电容器成为努力的目标。 7 y U! l" ]6 P0 X2 ?
新的电容器是用干燥工艺或是用充入少量油( 植物油)的技术来生产的。现在用镀金属塑料薄膜代替镀金属纸板。因此新电容充分显示出了其环保的特性，并且功耗仅为0.3 W/kvar。这表明改进后使功耗降至原来的1/100。 这些电容器是根据常规电网条件而开发的。在能源危机的过程中，人们开始相控技术的研究。相位控制的结果是导致电网的污染和许多到现在才搞清楚的故障。 5 }1 C! Z% {' V& Q
由于前一代电容器存在一个很高的自电感（所以功耗情况很差，达到现在的100倍），高频的电流和电压(谐波) 不能被吸收，而新的电容器则会更多地吸收谐波。 ; e! ] k; `' \ x+ q+ F: s1 [
因此存在这种可能，即，新、旧电容器工作在相同的母线上时会表现出运行状况和寿命预期的很大差异， 由于上述原因有可能新电容器将在更短的时间内损坏。
( Y* m y) ~2 ]/ e I我们向市场提供的电力电容器是专门为用于补偿系统中而开发的。电网条件已经发生急剧的变化，选择正确的电容器技术越来越重要。 电容器的使用寿命会受到如下因素的影响而缩短： -谐波负载 -较高的电网电压 -高的环境温度 我们配电系统中的谐波负载在持续增长。在可预知的将来，可能只有组合电抗类型的补偿系统会适合使用。 很多供电公司已经规定只能安装带电抗的补偿系统。其它公司必须遵循他们的规定。 如果一个用户决定继续使用无电抗的补偿系统，他起码应该选用更高额定电压的电容器。这种电容器能够耐受较高的谐波负载，但是不能避免谐振事故。 |
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