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諧波失真控制 [作者: Eddie Jones, PE; Larry Ray, PE; Tim Shuter, PE;]
  在一個水處理工廠里,將失真的設備連接到備用發(fā)電機會產(chǎn)生干擾電流。可以先采取臨時處理方案,然后使用有源諧波濾波器。
  變頻驅(qū)動器VFD(variable frequency drive)在關鍵電機的調(diào)速和優(yōu)化功率消耗方面具有許多優(yōu)點,但是也很容易造成相鄰配電系統(tǒng)的諧波失真。配電系統(tǒng)能夠吸收部分失真,但是當VFD直接連接在發(fā)電機驅(qū)動的電路上時,產(chǎn)生的干擾也可能會影響操作的可靠性。

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當額外的設備投入運行時功率消耗以明顯的幅度增加。

  通常,水處理廠配備有VFD、臭氧發(fā)生器以及其它可以造成諧波失真的負載。多數(shù)的工廠里也配置了緊急備用發(fā)電機,以備外部電源停止或非正常時為重要設備供電。這樣的反滲透淡化廠始終關注著諧波的長期影響效果,以及他們的938 kVA備用發(fā)電機在大型變頻泵造成諧波失真時運行是否可靠。

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而工廠的操作人員一直擔心,在應急操作時間延長的情況下,發(fā)電機可能發(fā)生故障。為了確定故障的程度,操作人員編輯諧波測量結(jié)果,比較正常使用和使用備用發(fā)電機時的失真程度,并根據(jù)測得的數(shù)據(jù)通過工程分析來評估諧波抑制技術(shù)。
  監(jiān)控失真
  施耐德電氣在工廠的配電盤進線端檢測諧波的失真情況。測試設備為一個能夠測量200多個電源系統(tǒng)參數(shù)的便攜式電路監(jiān)控器。諧波失真的測量采用每個周期512點的采樣率進行取樣,保證第250次諧波的準確性。
  負載測試表明:在當時的情況下,工廠備用發(fā)電機的負載量接近其53%的額定負載(如平均電流圖所示)。測試期間的負載峰值為403kW和431kVA。測試中的平均RMS電流表明了不同機器運行的影響。
  測試過程中,當使用發(fā)電機供電時電壓略有降低,但無論是正常使用還是發(fā)電機供電都能夠維持在可被接受的穩(wěn)態(tài)電壓范圍里——480V的100%~103%。電壓失衡程度也在小于1%,在可接受的范圍內(nèi)。
  負載測試表明負載最少時功率因數(shù)最低,所有設備同時運行時功率因數(shù)最高(如功率因數(shù)圖所示)。由于諧波固有的功率因數(shù)改進特征,使得常規(guī)的諧波濾波器很難削弱此電路上的諧波。
  負載測試也表明480 V總線上的電壓失真幅度在正常使用時最高峰值可達大約6.5%,在使用備用發(fā)電機時可達大約10%(如諧波失真圖所示)。當60hp設備與250hp設備一起工作時,由于ΔY變壓器和線性反應器結(jié)合產(chǎn)生的消除效應,電流失真會減少。電流總需量畸變系數(shù)TDD(total demand distortion)是由80%的發(fā)電機額定電流除以諧波電流得出的,或直接取900 amps。
  多大程度的失真是可以接受的?
  IEEE 519-1992標準《電力系統(tǒng)諧波控制推薦規(guī)程和要求》提供了一些關于“多大程度的諧波失真可以接受”的指導方針。最初,該標準作為推薦規(guī)程供電力使用單位及其客戶參考;現(xiàn)在,該標準已被廣大工廠企業(yè)作為測定現(xiàn)有設備諧波電流的指南性文件加以普及和使用。
  對淡化廠的正常電力使用和備用發(fā)電機供電所進行的測試表明,主要的電力系統(tǒng)參數(shù),包括電壓校準和失衡以及電流失衡,都在可接受的范圍內(nèi)。盡管諧波失真的程度沒有嚴重到對工廠的正常生產(chǎn)運行有明顯的影響,進一步減弱諧波仍然是不可忽略的工作。操作員關心諧波帶來的長期影響,而由于使用備用發(fā)電機時的諧波常常超過IEEE 519-1992標準所規(guī)定的諧波范圍,他們更擔心應急操作時間延長的情況下發(fā)電機能否穩(wěn)定可靠地繼續(xù)工作。此外,諧波減弱技術(shù)也能延長設備使用壽命,增強系統(tǒng)的可靠性。
  諧波限值表(如圖所示)顯示了與通常用于電力發(fā)生設備的IEEE 519-1992標準諧波限值比較的測試結(jié)果。和演示的一樣,在線測量的數(shù)據(jù)超過了這個限值。除此以外,施耐德電氣還進行了不同抑波技術(shù)的計算機仿真。
  仿真與減弱分析
  施耐德電氣通過諧波仿真可以估算不同的情況下諧波電流的減少量。如前面所提到的,在250hp設備和60hp設備同時工作就已經(jīng)獲得了第5次和7次諧波電流的諧波消除效果。系統(tǒng)分別要求5次諧波的電流減少27%,7次諧波的電流減少16%,盡管如此造成了總RMS電流增加了19%。最壞的情況也就是最高諧波峰值,在只有250hp設備工作時才會出現(xiàn)。總體來說,有4種解決方式:
  繞過一個ΔY絕緣變壓器——每個250hp設備有ΔY絕緣變壓器。繞過其中一個ΔY絕緣變壓器就能獲得不錯的效果,即減少了諧波電流失真的數(shù)量。再加上上面提到的250hp和60hp設備同時使用的方法,減弱了第5次和7次的諧波電流。而旁通回路的第5次和7次諧波電流保持不變,一旦再運行一到兩個250hp設備,就會產(chǎn)生額外的消除作用。然而,這項技術(shù)僅適用于沒有更有效的解決辦法的情況下的臨時改造。

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無論是正常使用或備用發(fā)電機供電,功率因數(shù)都反映出相似的特性。94% 的全負載功率因數(shù)不允許僅僅使用一種抑制策略。

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當三個250 hp 設備運行時,諧波失真達到峰值,但是由于良好的消除效應,再增加的60 hp 設備卻減輕了失真的程度。

  替換一個ΔY絕緣變壓器——一種更為有效的諧波減弱技術(shù)就是用ΔY交錯繞組變壓器取代其中一個ΔY絕緣變壓器,而非繞過它。因為諧波電流不是通過ΔY交錯繞組變壓器周相移動,所以這樣的改進也增強了第5次和7次電流的消除效應。這種方法同時也保留了諧波衰減的正面影響。
  無源諧波濾波器——可以在480V主電路安裝一個5次無源諧波濾波器,但是由于無源諧波濾波器也會增加基礎功率因數(shù),所以這種方法并不實際。由于設備的功率因數(shù)已經(jīng)很高(全負載時可達94%),在工廠沒有達到最先進的功率因數(shù)的情況下,系統(tǒng)無法容忍更多的負荷。
  有源諧波濾波器——該廠最佳的解決方案是通過在480V主電路上安裝有源濾波器來減弱諧波電流。有源濾波器能夠測算出負載所需的諧波電流量,并且使電流產(chǎn)生180°的相位移。該方法可以很大程度上減弱諧波失真的程度,通常被用在必須嚴格遵守諧波限值的場合。此外,施耐德電氣推薦安裝現(xiàn)場功率監(jiān)控設備,從而可以跟蹤諧波失真中的設備性能、電壓質(zhì)量、干擾和費用的情況。
  過渡性的和永久的解決方案
  通過臨時設置旁路繞過絕緣變壓器,從而增加諧波消除,工廠降低了諧波的失真程度。這一非常規(guī)的手段幫助工廠度過了整個夏季運行高峰。之后,工作人員在主配電盤上安裝了有源諧波濾波器。該設備最終消除了諧波失真的影響。安裝有源濾波器后的測量結(jié)果顯示電流失真低于8%,電壓失真低于2%。


 
 
 
 

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