中达电通股份有限公司变频器产品开发处 产品经理 周巍

　　1 背景

　　浙江某厨具公司是国内知名厨具制造有限公司，由于生产线上大量使用大功率可控硅整流器电源，在低压电网中产生大量的电压和电流谐波，造成问题如下：

　　变压器配电室进线柜母线热缩套管均被烤裂脱落，实测铜排温度75度，造成配电室严重发热；

　　氧化生产线控制系统的人机界面电源和其他弱电系统电源经常出现莫名烧毁情况；

　　配电室电磁的高频震荡产生很大噪音，严重影响值班人员工作环境；

　　大功率可控硅整流器电源就地侧电容补偿柜电容器损坏严重，投入和不投入就地补偿柜系统功率因数改善不明显，线损大，能耗高；

　　双脉冲整流电源界面 厨具电镀现场

　　配电室进线柜母线热缩套管发热脱落 补偿柜接触器和电容器损坏

　　配电系统一次图如图1所示：

　　以上情况导致该司供电存在严重安全隐患、电能浪费较大，电能质量急需得到治理。为此中达电通公司对该司指定的1#可控硅整流器电源进行了电能质量测试。

　　2 现状

　　实测变压器低压侧1#可控硅整流器侧谐波检测数据（测试点1）：

　　测试结果如表1所示：

　　测试1#可控硅整流器电源交流侧满载是电流总畸变率27.5%，电压总畸变率22%左右，谐波含量严重超过国标14549-1993之标准。

　　存在2、3、4、5、7、11次谐波，各次谐波含量均较大，谐波处理复杂。

　　1#可控硅整流器电源就地侧补偿柜投入后，谐波含量均放大，电流总畸变率51%，电压总畸变率27%，各次谐波均有明显放大，尤其是5次谐波电流放大一倍以上。

　　现场测试补偿柜投入及切除功率因数从0.72降低到0.51功率因数严重偏低，补偿柜发热，线缆发热，电容器漏油，损坏严重。

　　3 治理方案的选择及说明

　　治理方案选择的考量：

　　（1）由于整流器谐波含量丰富，电流波动大，之前采用无源滤波器的方式，造成无源滤波器无法动态投入，强制固态投入后，无源滤波器烧毁。

　　（2）同时考虑到负载电流波动大，就地补偿柜损坏严重。

　　由此该厨具制造企业要求采用有源滤波器的治理方式，既补偿谐波同时补偿无功。保证谐波含量符合GB14549标准及功率因数大于0.9要求。同时由于现场电镀环境气体具有腐蚀性，对于电力电子设备的应用有很高的环境适应性要求。

　　4 台达电子有源滤波器性能

　　主要技术指标

　　额定工作电压范围：AC220V～480V；

　　电压变动范围：-10%～+10%；

　　额定工作频率：50Hz±5%；

　　需要具备无功补偿和谐波治理的能力；

　　瞬态响应时间：≤500µS；

　　响应时间：≤20ms；

　　装置功率损耗：额定功率运行时，损耗不超过3%；

　　过载能力：170%（瞬时）；

　　噪音：≤70dB（额定工况下1m距离）；

　　防护等级：≥IP31（设有防直漏措施）；

　　结构要求：可根据情况选择上、下进出线方式；

　　通讯功能：MODBUS RS-485、MODBUS TCP/IP 或Ethernet IP；

　　扩容功能：单柜应能方便地通过并联模式实现扩容至200A，并联台数可达6台。

　　5 有源滤波器容量选择及说明

　　6 有源滤波器治理实施方案

　　有源滤波器接入配电系统一次图如图2所示：

　　6.1 调试问题及说明

　　（1）有源滤波器投入后，根据电能质量测试仪器FLUKE435测试数据进行调试，按照基尔霍夫定律有源滤波器注入谐波电流与负载谐波电流及网测谐波电流的矢量和为零。

　　（2）但是实际情况却出现矢量和不为零情况，有源滤波器投入效果非常差，谐波治理指标和波形改善及功率因数均没有明显效果。

　　（3）反复检查接线及FLUKE435电能质量分析仪的测试设置均正常，再三调试效果依旧没有改善。

　　（4）仔细分析测试数据，发现A/BC三相测试数据存在3次谐波，每相3次谐波在50-60A之间，但是整流器电源的零线实测数据电流只有2-3A，按照相线3次谐波电流会在零线叠加的原理，零线谐波电流应该在150-200A之间。由此怀疑FLUKE435电能质量分析仪的测试数据有问题!

　　6.2 问题分析及说明

　　（1）再次就双脉冲电镀整流电源原理进行分析

　　双脉冲电源是最新一代电镀电源产品，又名平波/双向脉波可调开关电源；它通过将工频交流电整流为直流高压电源，通过高频电压变换及高频整流产生低压大电流电源，再通过LC滤波成纯直流电源，然后送到一个不对称的全桥变换电路（又称斩波电路），产生一个人为的平波（即纯直流）或双向脉冲方波输出。双脉冲整流电镀原理图：

　　（2）针对双脉冲整流电源的负载电流波形进行分析，发现：

　　该双脉冲整理电源负载电流具有一定特殊性。如图5所示，六脉冲负载整流电流并不是连续工作，而是工作5个周波后停息2个周波。

　　（3）FLUKE仪器公司的解释及说明：

　　FLUKE仪器公司的解释：美国原装电能质量测试仪器FLUKE435采用符合IEC61000-4-7IEC61000-4-30标准进行仪器的制造及分析，其检测的数据采用FFT傅里叶变换只对工频50HZ电源，最小10个连续周波的稳态信号平均有效值得出精确测量结果。

　　（4）更换能够测试瞬时值的400M示波器（LeCroy_WaveRunner_Xi-A模拟示波器）重新针对电镀整流器进行测试，然后采用瞬时波形的测量分析工具，通过单周波波形和FFT计算各次谐波值作为参考，并针对测试数据采用MATLAB仿真分析：

　　a.台达研发人员采用MATLAB仿真分析，模拟FULUKE10周波平均采样算法重现问题：

　　从图6可以清晰看出针对非10个连续周波，仿真测试数据重现了2、3、4、5、6、7次谐波的情况。

　　b.再次通过MATLAB仿真分析，以单周波采样分析客观的现场谐波分量，与示波器自带的PowerGui FFT专业分析工具得出相同的谐波电流分量数据，从而确认采用示波器是正确的测试方式。

　　从图7可以清晰看出现场数据就是典型的6脉整流负载，谐波特征为6K±1次的5、7、11、13次等，无偶次2、4次和6K-3次3次等零序谐波。

　　c.电压谐波的佐证：

　　电压谐波是电流谐波在现路上耦合的结果，通常电压谐波的频次与电流谐波中的频次一致，且含量比例对应. 之前用FLUK435测试的电压谐波中只有5、7、11、13次谐波，不含2、3、4次谐波，但电流谐波中含2、3、4次谐波. 确认是FULKE435电能质量分析仪的测试分析方式有误差导致。

　　6.3 问题解决

　　有源滤波器针对谐波治理的全响应时间为一个周波即20ms，根据性能完全可以跟踪目前负载5个周波运行，2个周波停止的反复运行工况。

　　调试方式二种：

　　（1）采用盲调：

　　如现场无400M高精度示波器（LeCroy_WaveRunner_Xi-A模拟示波器），可以直接根据有源滤波器的显示界面中网侧的电流波形效果，调节有源滤波器的输出电流，直至网侧电流波形恢复成正弦波。

　　（2）精调：

　　根据400M高精度示波器（LeCroy_WaveRunner_Xi-A模拟示波器）采集的精确数据，调节有源滤波器的注入电流，精确抵消负载侧的谐波电流，从而达到理想的网侧电流波形恢复成正弦波和获取精确治理相关数据。

　　6.4 有源滤波器治理效果

　　图8给出了APF工作时负载侧和电网侧电流波形对比。这里值得注意的是5个周波中的初始周波和结束周波，可以了解到台达有源滤波器在一个周波的范围内实现了完全的跟踪和治理。

　　整流器投入台达有源滤波器前后数据如下：

　　（1）特征次5、7、11、13次谐波治愈率≥90%；

　　（2）由于2、3、4次谐波为仪器采样失真数据，实际基本不存在2、3、4次谐波；

　　（3）系统1#总变压器侧功率因数，从0.84升至0.95；

　　（4）视在电流下降20%以上，具有显著节能效果。

　　台达有源滤波器现场治理应用照片：

　　7 总结

　　针对非连续10个周波的快速变化双脉冲电源采用有源滤波器进行谐波治理，发现了采用符合IEC61000-4-7IEC61000-4-30标准进行制造及分析的FLUKE435电能质量分析仪，会造成测试数据误差，给有源滤波器的调试造成困扰。需要采用高精度的单周波分析仪器设备才能进行精准分析及调试，同时给出了调试的建议方法。同时验证了台达有源滤波器优异的性能及实施应用效果。为类似行业的电能质量测试、治理及有源滤波器应用提供了科学依据和实际应用案例，具有极大的推广价值。

　　参考文献

　　何学龙,现代电能质量测量技术,2012，美国福禄克公司.