APF PCS 有源濾波器功能有哪些

在本文中，我們將就APF PCS的四大功能: 動態(tài)補償、抑制諧振、無功補償、主動(有源)濾波進行詳細介紹。

1. 動態(tài)補償功能
1.1 概述
電弧焊機、電弧爐等負載在運行時會產(chǎn)生很高的浪涌電流，其持續(xù)時間只有幾秒鐘。這種周期性電流突變導(dǎo)致電源變壓器磁通(勵磁電流)飽和。磁路過飽和引起變壓器輸出電壓急劇下降，從而導(dǎo)致負載運行性能降低或無法運行。
另外，電源系統(tǒng)在電壓降低時會提供額外的電流來維持變壓器電壓，這樣會在電力系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生新的浪涌成分。這些斷續(xù)浪涌電流加劇電源系統(tǒng)的壓降。當(dāng)這種壓降重復(fù)出現(xiàn)時，人們能感覺到的就是燈具的閃變（Flicker）。
1.2 APF PCS工作原理
APF PCS的設(shè)計原理是通過注入電流補償負載需要的電流，從而減少對上游電力系統(tǒng)的需求。使用APF PCS后，出現(xiàn)浪涌電流時電源變壓器就不需要提供大量的需求電流，變壓器就不會過飽和。負載和電力系統(tǒng)的電壓保持穩(wěn)定，從而消除閃變干擾。
APF PCS采用模擬電流控制算法以實現(xiàn)超前快速響應(yīng)。這就使得APF PCS在負荷快速變化期間能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時響應(yīng)，注入需要的電流，例如在電焊機的第一個浪涌期間。無論是諧波電流還是無功負載的變化，對APF PCS來說都沒問題。APF PCS通過電流互感器監(jiān)視負載狀態(tài)，并通過注入這些負荷所需要的與注入的尖蜂周期數(shù)同樣數(shù)量的電流實現(xiàn)快速響應(yīng)。
通過使用這種瞬時接通機制，APF PCS可以保持系統(tǒng)電壓水平、減少電壓閃變、提高功率因數(shù)、提高產(chǎn)品質(zhì)量和運行特性，這樣，就提高了整個工廠的經(jīng)濟效益。

2. 抑制諧振功能
2.1 概述
很多電力系統(tǒng)都因為安裝了電氣參數(shù)相互關(guān)聯(lián)的設(shè)備，由于彼此相互作用而產(chǎn)生共振。共振會導(dǎo)致設(shè)備故障，縮短設(shè)備使用壽命或增加其它開銷。由于大量半導(dǎo)體設(shè)備（非線性負載），如變頻驅(qū)動裝置, UPS，電焊機和電池充電設(shè)備的應(yīng)用，使電網(wǎng)共振越來越頻繁的發(fā)生。共振是系統(tǒng)不穩(wěn)定的一種形式。典型的情況是整個系統(tǒng)的元件相互影響，產(chǎn)生了不可預(yù)測的結(jié)果。發(fā)生相互影響的通常是無功元件，如電感，電容或晶閘管控制系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化或由于負載的增加而擴大系統(tǒng)時，引起無功元件產(chǎn)生的共振相對普遍。為提高功率因數(shù)增加電容器或在母線處增加無功補償濾波裝置也是引起共振的原因。電源功率增加，電容器充電，靠近用戶設(shè)備的變壓器等是共振發(fā)生的潛在因素。
最不希望發(fā)生的是電壓和電流發(fā)生共振。共振導(dǎo)致電壓或電流超過系統(tǒng)中元件的設(shè)計極限，發(fā)生過載。例如，電容器兩端產(chǎn)生極高的電壓，流過很高的充放電電流，發(fā)生電壓擊穿或過熱故障。根據(jù)共振的振幅大小，故障會立即發(fā)生或經(jīng)過數(shù)月。由于故障發(fā)生時間很短而判斷不出故障的真正原因。
由于半導(dǎo)體(非線形)負載產(chǎn)生的諧波接近系統(tǒng)固有的諧振頻率, 因此系統(tǒng)產(chǎn)生諧振的可能性急劇增加。例如變頻驅(qū)動裝置產(chǎn)生的諧波就包含很多頻率，直到29次諧波。其他傳動裝置或電容器組的特征諧振頻率有可能在29次左右。需要注意的是, 電容器設(shè)計充放電速度為每秒鐘60次，而不是29倍數(shù)。這樣電容器有可能過熱并導(dǎo)致故障。
消除諧振能夠減少由于過熱和電壓崩潰造成的設(shè)備故障，同時延長設(shè)備的使用壽命。系統(tǒng)功率因數(shù)得到改善，諧波含量減少等等。在工礦企業(yè)供電系統(tǒng)中，避免了諧振引起的過熱跳閘或功率因數(shù)補償電容器不能正常運行等情形。
2.2 使用APF PCS消除諧振的效益
a) 設(shè)備費用低，占地少，操作簡單。
b) APF PCS與負載并聯(lián)連接，安裝方便。
c) APF PCS易于升級。如果負載增加，可接入擴展單元。
d) APF PCS使用靈活。APF PCS可安裝于主分配母線上，下級配電盤上，就地配電盤上或單一負載處，由用戶確定最佳最佳補償點。
2.3 完整的解決方案
APF PCS是一種電源補償系統(tǒng), 同時可將系統(tǒng)諧振電流和諧波電流去除。APF PCS通過注入反向電流，阻止諧振的產(chǎn)生。由于大多數(shù)電壓諧振是由電流諧振引發(fā)的，所以通過補償，電流諧振和電壓諧振都會去除。
2.4 方案比較
獨立安裝但又相互干擾的設(shè)備間產(chǎn)生諧振無疑是最壞的結(jié)果，當(dāng)面臨消除諧振的問題時，人們有幾種方法可以選擇。最好的辦法就是防止諧振，以下幾種方法可供選擇：
1) 增加或調(diào)整系統(tǒng)元件消除諧振
只要切除某個系統(tǒng)元件(通常是電容器)就可以解決諧振現(xiàn)象，但是隨著諧振的去除，該元件所起的作用也被取消。更好的辦法是既可以補償總功率因數(shù)又不產(chǎn)生諧振。
2) 定制功率因數(shù)控制系統(tǒng)
定制電容器組通常在設(shè)計時就已經(jīng)考慮防止諧振問題。然而由于這樣的系統(tǒng)是專門設(shè)計的，所以不能升級，目前用戶很少采用這種方法。
3) APF PCS電源補償系統(tǒng)
通過正確的設(shè)計，在低壓(最高至690V)電力系統(tǒng)中，APF PCS電源補償系統(tǒng)能夠徹底去除諧振。APF PCS設(shè)計簡單、安裝方便、性能可靠，并且系統(tǒng)可升級。APF PCS通常是費用較低的一種解決方案。去除諧振只是電源補償系統(tǒng)的作用之一。參見全系列產(chǎn)品使用指南可以了解更多的信息。
電流互感器安裝于三相中的兩相上，為控制邏輯電路提供負載的上游電流波形，APF PCS去除波形中的基波(50或60赫茲)成分，將剩余部分的波形反向，然后控制IGBT的觸發(fā)。這樣得到的結(jié)果就是去除上游電力系統(tǒng)的諧波的成分。隨著諧波電流的去除和基波頻率反向電流的注入，總功率因數(shù)得到補償。

3．無功補償功能
3.1 概述
APF PCS是一種可安裝于電力系統(tǒng)任意位置的彈性解決方案。它可安裝于主分配母線、次級分配母線或單個負荷的就地控制柜處。由于與負載并聯(lián)安裝，所以不用負擔(dān)全部負載電流。它的設(shè)計容量只是能夠?qū)⒐β室驍?shù)提高到需要的水平的無功電流。例如，如果某負荷流過的電流為200安培有功電流和100安培的無功電流，那么APF PCS的容量只需要100安培。
如果由于負載的增加而使得無功電流的需要也相應(yīng)增加，則可并聯(lián)接入另一APF PCS單元，通過這種方法最多可以并聯(lián)五個單元。
3.2 方案比較
當(dāng)設(shè)備需要補償功率因數(shù)時，可以選擇下列方案：
3.2.1 傳統(tǒng)的功率因數(shù)補償電容器
傳統(tǒng)的補償功率因數(shù)的方法就是安裝電容器。雖然電容器價格便宜，但有一定的缺陷。電容器必須以遞增的方式增加，不能夠很好地與需求量匹配，并且電容器的切換也會對系統(tǒng)造成沖擊。另外電容器還有可能與系統(tǒng)其他設(shè)備部分共同作用形成諧振(查看產(chǎn)品使用指南可了解更多的這方面的內(nèi)容)。有時，可通過增加適當(dāng)?shù)碾姼惺闺娙萜?失諧"而避免諧振。在輕載狀態(tài)下，電容器有可能產(chǎn)生過電壓。
3.2.2 多級電容器組
多級電容器組有多種遞增電容，通過適當(dāng)切換在負載變化時，可實現(xiàn)靈活的增加或減少。這些系統(tǒng)大多為特定的系統(tǒng)配置，不能升級。多級電容器組要作到經(jīng)濟運行通常是困難的。除了由于多種的電容的組合和負載的變化使得避免諧振更加復(fù)雜之外，多級電容器組還具有單組電容器的所有缺陷。
3.2.3 APF PCS
APF PCS電源補償系統(tǒng)可以實現(xiàn)總功率因數(shù)補償，實際上，當(dāng)APF PCS用于主動諧波控制時，其補償功率因數(shù)的能力也就是其消除諧波功能的一個輔助功能，功率因數(shù)的補償幾乎是自然的結(jié)果。APF PCS提供動態(tài)補償(無階梯)，在任何情況下APF PCS都不會使系統(tǒng)電壓升高。在消除諧波的同時，主動濾波器還監(jiān)視系統(tǒng)的諧振，APF PCS可以阻止任何這樣的不穩(wěn)定。APF PCS甚至可單獨用做消除諧振，以便使用電容器補償功率因數(shù)，否則就不能安全地使用電容器。
另外，總功率因數(shù)的補償只是電力系統(tǒng)受益的一方面。參見全套產(chǎn)品使用指南可了解更多信息。
3.3 特殊應(yīng)用注意事項
3.3.1 電弧焊機
電弧焊機是短時間斷續(xù)運行的負載。在焊接的初始沖擊時刻，焊機需要幾個周期的足夠的初始電流。在這期間，提供電源的電力系統(tǒng)不能夠滿足所有的電流需求。結(jié)果造成焊機電壓跌落，導(dǎo)致焊接效果不好。
在自動化生產(chǎn)工廠，例如汽車車身生產(chǎn)廠，在一個電源系統(tǒng)的電力系統(tǒng)中有多臺焊機，多臺焊機同時工作使得電壓跌落問題更加復(fù)雜，同時也使得焊接質(zhì)量嚴重下降。
3.3.2 諧波電流的影響
由于各個周期的電弧不同，尤其是在焊機初始沖擊期間，電弧焊機的電流無法預(yù)測。這就導(dǎo)致確定諧波頻率很困難。當(dāng)焊接電弧開始連續(xù)時，由于峰值電流幅值減小，諧波頻率較容易預(yù)測。然而，諧波電流始終無法預(yù)測。
除了在初始沖擊時周期出現(xiàn)的很高峰值電流外，這種不可預(yù)測的情況也使得選擇調(diào)節(jié)方案非常困難。
3.4 方案比較
3.4.1 靜態(tài)無功補償
調(diào)節(jié)方案之一就是采用靜態(tài)無功補償器。這種設(shè)備使用固定的功率因數(shù)電容器，通過晶閘管控制(TSC)實現(xiàn)快速通、斷切換。很多情況下，還需要使用晶閘管切換電感來防止系統(tǒng)諧振。靜態(tài)無功補償可以保持系統(tǒng)電壓、減少電壓閃變、提高功率因數(shù)、矯正相間不平衡以及提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。可是，靜態(tài)無功補償通常用于變壓器的上游。這樣就無法矯正負載處的問題和提高產(chǎn)品質(zhì)量。另外，與焊接特性相比，其響應(yīng)速度相對較慢而不會很有效的跟隨。
3.4.2 動態(tài)無功補償
APF PCS電源補償系統(tǒng)是一種靈活的無功補償裝置。具有使用地點靈活和控制精度高，容量可擴展升級等優(yōu)點。APF PCS非凡的響應(yīng)速度使其成為一種有效的解決方案。
另外，動態(tài)無功補償只是電源補償系統(tǒng)的優(yōu)點之一。參考系列產(chǎn)品使用指南可以了解更多的信息。

4. 主動(有源)濾波
4.1概述
在電力系統(tǒng)中，諧波增加故障停機概率、增加電力設(shè)施的額外負擔(dān)、造成功率因數(shù)補償困難并使得總功率因數(shù)降低，從而導(dǎo)致運行成本增加。
4.2 諧波抑制的效益
1) 在自動化工廠里，諧波抑制將控制信號的畸變減到最小，從而最大限度確保正常運行。
2) 在投資巨大的電力系統(tǒng)中，諧波抑制可降低資本損耗，增加電力系統(tǒng)容量。
3) 在拖動系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)和其他有大量非線形負荷的系統(tǒng)中，通常要求將諧波控制在IEEE-519所規(guī)定的范圍內(nèi)，以便提高總功率因數(shù)和降低運行成本.
4.3 APF PCS工作原理
APF PCS是一套使用模擬和數(shù)字邏輯電路進行電流檢測和電流注入，以消除諧波和提供無功電源的電力電子系統(tǒng)。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計選型，APF PCS能將諧波減少到ANSI/IEEE 519-1992中規(guī)定的范圍并將功率因數(shù)提高到接近1的水平。
APF PCS直接并聯(lián)至線路中產(chǎn)生諧波的負荷。對于3相3線電力系統(tǒng)，電流傳感器安裝于其中的兩相上，為邏輯控制電路提供負荷的電流波形。APF PCS邏輯電路會去除波形中的基頻(50和60赫茲)成份。邏輯電路將剩余的波形反向并調(diào)整IGBT的觸發(fā)來復(fù)制這一反向波形。這樣的處理得到的結(jié)果用于去除上游電力系統(tǒng)諧波電流。由于諧波電壓是諧波電流流過電源阻抗而產(chǎn)生的，因此它們也顯著地減少。
4.4 應(yīng)用指南
APF PCS是一可調(diào)的諧波畸變解決方案。APF PCS可用于控制具有一個或多個負載的系統(tǒng)中存在的或可能存在的諧波。APF PCS額定電流為母線上總諧波電流和無功電流之和的均方根值。
如果總諧波電流超出單個APF PCS的額定值，可并聯(lián)接入另外的APF PCS單元。
4.5 方案比較
有多種方法進行諧波抑制。許多用于調(diào)速系統(tǒng)諧波抑制的設(shè)備必須使用電感器、變壓器以及其他電磁設(shè)備。
4.5.1 電感器/變壓器
如今，即使是用做保護電機的瞬變狀態(tài)，大多數(shù)線性電抗器和變壓器還是只用于有限的交流拖動諧波抑制中。事實上，當(dāng)電源的獨立性比較低或拖動系統(tǒng)沒有積分式直流母線扼流時，只有精確計算電感器的大小才有可能獲得較顯著的諧波控制。在耦合點處滿負荷時，串聯(lián)5%的電抗值可以減少近35%的電流諧波畸變。
4.5.2 傳統(tǒng)濾波器
一個無源濾波器由一系列分裝的無源電容器/電感器線路和一系列電感器或變壓器組成。它們通常作為拖動系統(tǒng)的外圍設(shè)備并為單個電動機設(shè)計而加入到電力系統(tǒng)中。多臺電動機就需要多臺濾波器。
如果要提出更好的單一濾波器(用于母線處)的解決方案，則需要大量進行系統(tǒng)分析的投資，并且會經(jīng)常造成系統(tǒng)不對稱。
4.5.3 多脈沖電機
僅僅是因為單臺電機諧波抑制的需要，產(chǎn)生了多脈沖電機。大功率的多脈沖電機在污水廠被廣泛使用，但其他工廠的用戶很少使用這種電機。尤其是在低壓小功率時，所需投資較大，設(shè)備外形也較大。
4.5.4 APF PCS
APF PCS電源補償系統(tǒng)能夠為多個負荷(所有類型)或單一大負荷提供徹底的諧波抑制。通過比較可看出本系統(tǒng)方案簡單，安裝方便(與在負載處進行濾波方案相比較而言)并且系統(tǒng)容量可調(diào)整。如果某一母線帶有許多非線性設(shè)備，APF PCS則是總投資較低的解決方案。
另外，主動諧波抑制只是電源補償系統(tǒng)特點之一，參考全套產(chǎn)品使用指南可以了解更多的信息。
4.6 完備的解決方案
APF PCS是一套提供主動諧波抑制的電源補償系統(tǒng)。它通過檢測畸變的電信號，確定其中諧波成份的頻率和振幅，然后通過動態(tài)注入反向電流去除諧波。主動諧波抑制不僅具有傳統(tǒng)諧波濾波器的優(yōu)點，而且其使用和技術(shù)要求都簡單得多，安裝簡便、控制全面，并符合IEE-519標(biāo)準(zhǔn)。
4.7 主動諧波抑制的主要優(yōu)點
a) 煩瑣的諧波分析最大限度減少。
b) 無須使用電源功率因數(shù)補償電容。通過向負載提供完善的電源，APF PCS使系統(tǒng)進一步穩(wěn)定。
c) APF PCS容量可調(diào)整。它用于母線處，其容量可根據(jù)需要而安裝。
d) 減少設(shè)備過熱的故障。