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谐波过滤器实现节能环保
2010-09-19 15:16:04 来源:佳工机电网 作者: 【 】 浏览:1646次 评论:0
        在从发电厂到居民楼,最终直至家用电器的电网中,电器设备常常在工作时出现电流反馈,并带来明显的电噪声。Block变压器厂明确地将降低电流反馈与电噪声作为自身的任务。

        对许多人来讲,老式的软启动电路仅仅是在教科书中见到过。在目前能源缺口越来越明显的情况下,现代化的动力驱动技术已经离不开变频器了,其体积小且效率高,在其帮助下动力设备能够可靠地高效运行,并且能够更好地减少CO2的排放;同时也由于减少了能源消耗,这为企业节约了不少的能源费用。然而,其也有不足之处:所有的变频器都会带来谐波振荡,这是一种能够作用于整个用电电器的电网、需要过滤掉的振荡波。由供电设备提供的电源电流对应所有的用电电器,无论是工业用电器还是家用电器,均提供着均匀且有恒定周期及恒定频率的正弦波电流。在现实的电网中,这种理想状况是很难实现的,其原因就在于使用变频器后带来的谐波振荡。这种谐波振荡改变了电气驱动设备的电流固有频率。同时,其也破坏了电源电流的正弦波波形。因此在实践中我们要对正弦波形进行调整,使电力驱动设备的输出频率得到所希望的信号波形。频率为4~16kHz的范围内的调整及调节工作均在变频器中进行。电流波形在调整过程中,不仅仅是输出信号,也有出现失真的正弦波形的电源输入信号,其令基本振荡波形(正弦波形)与谐波振荡叠加在一起(图1)。这样的现象将带来一系列的恶果,如:
电缆发热、干扰用电设备的正常工作。最严重的情况类似于美国与意大利曾出现过的大面积电网停电。

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图1 绿色曲线表示基本振荡,蓝色曲线表示由5号、7号及11号谐波振荡合成后的结果。
红色曲线表示基本振荡与谐波振荡合成后的结果和输入信号的失真

    若仔细关注德国工业企业的用电数据,我们就会清楚地了解其潜在的危险:德国工业企业每天的耗电量为240kW/h,而德国大约3000万台加工设备就消耗了其中的65%。在这些机床设备中,大约只有八分之一的设备配备了变频器;大约有2600万台机床设备没有配备变频设施。这对于德国电力系统意味着什么,人们是可想而知的:这样加重了谐波振荡的负荷,不仅是变频器能够加重电源电网的振荡负荷,其他的一些电器,例如使用越来越多广泛的节能灯也起到了推波助澜的作用。下萨克森州费尔登县的Block 变压器公司研发生产的HFM谐波过滤器(图2)是一种经济且技术可靠的解决电源电网谐波振荡的应对方案。

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图2 HFM-FB型Harmonic谐波过滤器可用于保障电网电流的正弦波波形

    有效电流消耗降低30%

    基于被动的过滤技术,令全新谐波过滤模块有着很高的谐波过滤能力和工作可靠性。其不仅能够有效地降低谐波振荡(图3),而且还保证能够满足常规的电气技术标准(IEC及IEEE)要求。同时,该技术也考虑了降低成本和费用的问题,在使用此种装置(图4)后,设备可以将有效工作电流的数值降低30%,从而也成功降低了设备的启动运行费用;在机床设备的设计时,这一装置可以使用户进一步缩减机床电缆和变压器的安装空间,从而降低设备的采购费用。其他的优点还有:该装置延长了设备的使用寿命,减少了电气干扰和电气故障,从而使设备故障停机工时大大减少。甚至大气环境问题也因该模块的使用而有所好转:仅在欧洲,使用这种正弦波过滤装置就可以每年比转速调节的驱动系统少排放1200万t的CO2气体。

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图3 经HFM谐波过滤器过滤后的残留谐波振荡

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图4 高效且低噪声的LR3系列产品

    电网中的波形振荡问题急需解决,而用电设备的噪声问题也是需要解决的重点。尤其是在居民区和办公区里,近几年来设备发出噪声的问题引起了越来越多人的注意。洗衣机、通风机和电梯等设备在使用变频器后,不仅工业企业提出了降低噪声的要求,而且,凡是有人活动的区域也都要求降低噪声。

    利用扼流启动器和扼流圈消除因噪声引起的干扰

    除了电动机噪声和通风噪声外,被动式谐波过滤器中的电感,尤其是电机扼流启动器或电源扼流圈也是引起噪声的主要源头。由于逆变器输出的电压是由脉冲宽度调制技术而生成的,因此必须使用电机扼流启动器,以保护电动机不受过高的峰值电压的影响,这一保护原理同样也适用于电源扼流保护:当系统使用的是一套主动式且具有能量反馈功能的直流变频器,其同时也采用了脉冲直接调节,交流变频器经脉宽调制后,以及经过低通滤波过滤器过滤的电流波形以平滑的电流方式输送到电动机或电网中。尽管如此,通过傅立叶分析还是能够在电流中发现周期频率中有振幅的差异;能够看到多种由过滤器和电动机引起的噪声。在高频声波范围内,其有害的听觉阀值比低频声波的有害阀值要低,因而也更容易伤害人类的听觉(图5)。

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图5 噪声声谱图

    世界上技术领先的电梯生产厂对其产品的扼流启动器和电源扼流圈都规定了严格的噪声极限值,4kHz噪声极限值是人类所感觉不到的声波。在研发及生产静音扼流启动器和扼流圈时,需要有丰富的专业知识,Block公司掌握了这样的专业技术知识。
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Tags:谐波过滤器 节能环保 责任编辑:草木含羞

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