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. 動態補償功能
1.1 概述
電弧焊機、電弧爐等負載在運行時會產生很高的浪涌電流，其持續時間只有幾秒鐘。這種周期性電流突變導致電源變壓器磁通(勵磁電流)飽和。磁路過飽和引起變壓器輸出電壓急劇下降，從而導致負載運行性能降低或無法運行。
另外，電源系統在電壓降低時會提供額外的電流來維持變壓器電壓，這樣會在電力系統內產生新的浪涌成分。這些斷續浪涌電流加劇電源系統的壓降。當這種壓降重復出現時，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的需求。使用APF PCS后，出現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。負載和電力系統的電壓保持穩定，從而消除閃變干擾。
APF PCS采用模擬電流控制算法以實現超前快速響應。這就使得APF PCS在負荷快速變化期間能夠實現瞬時響應，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通過電流互感器監視負載狀態，并通過注入這些負荷所需要的與注入的尖蜂周期數同樣數量的電流實現快速響應。
通過使用這種瞬時接通機制，APF PCS可以保持系統電壓水平、減少電壓閃變、提高功率因數、提高產品質量和運行特性，這樣，就提高了整個工廠的經濟效益。

2. 抑制諧振功能
2.1 概述
很多電力系統都因為安裝了電氣參數相互關聯的設備，由于彼此相互作用而產生共振。共振會導致設備故障，縮短設備使用壽命或增加其它開銷。由于大量半導體設備（非線性負載），如變頻驅動裝置, UPS，電焊機和電池充電設備的應用，使電網共振越來越頻繁的發生。共振是系統不穩定的一種形式。典型的情況是整個系統的元件相互影響，產生了不可預測的結果。發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。當系統參數變化或由于負載的增加而擴大系統時，引起無功元件產生的共振相對普遍。為提高功率因數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，靠近用戶設備的變壓器等是共振發生的潛在因素。
最不希望發生的是電壓和電流發生共振。共振導致電壓或電流超過系統中元件的設計極限，發生過載。例如，電容器兩端產生極高的電壓，流過很高的充放電電流，發生電壓擊穿或過熱故障。根據共振的振幅大小，故障會立即發生或經過數月。由于故障發生時間很短而判斷不出故障的真正原因。
由于半導體(非線形)負載產生的諧波接近系統固有的諧振頻率, 因此系統產生諧振的可能性急劇增加。例如變頻驅動裝置產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, 電容器設計充放電速度為每秒鐘60次，而不是29倍數。這樣電容器有可能過熱并導致故障。
消除諧振能夠減少由于過熱和電壓崩潰造成的設備故障，同時延長設備的使用壽命。系統功率因數得到改善，諧波含量減少等等。在工礦企業供電系統中，避免了諧振引起的過熱跳閘或功率因數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) 設備費用低，占地少，操作簡單。
b) APF PCS與負載并聯連接，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, 同時可將系統諧振電流和諧波電流去除。APF PCS通過注入反向電流，阻止諧振的產生。由于大多數電壓諧振是由電流諧振引發的，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備間產生諧振無疑是最壞的結果，當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) 增加或調整系統元件消除諧振
只要切除某個系統元件(通常是電容器)就可以解決諧振現象，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又不產生諧振。
2) 定制功率因數控制系統
定制電容器組通常在設計時就已經考慮防止諧振問題。然而由于這樣的系統是專門設計的，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
通過正確的設計，在低壓(最高至690V)電力系統中，APF PCS電源補償系統能夠徹底去除諧振。APF PCS設計簡單、安裝方便、性能可靠，并且系統可升級。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的作用之一。參見全系列產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。這樣得到的結果就是去除上游電力系統的諧波的成分。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。由于與負載并聯安裝，所以不用負擔全部負載電流。它的設計容量只是能夠將功率因數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增加，則可并聯接入另一APF PCS單元，通過這種方法最多可以并聯五個單元。
3.2 方案比較
當設備需要補償功率因數時，可以選擇下列方案：
3.2.1 傳統的功率因數補償電容器
傳統的補償功率因數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造成沖擊。另外電容器還有可能與系統其他設備部分共同作用形成諧振(查看產品使用指南可了解更多的這方面的內容)。有時，可通過增加適當的電感使電容器"失諧"而避免諧振。在輕載狀態下，電容器有可能產生過電壓。
3.2.2 多級電容器組
多級電容器組有多種遞增電容，通過適當切換在負載變化時，可實現靈活的增加或減少。這些系統大多為特定的系統配置，不能升級。多級電容器組要作到經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電源補償系統可以實現總功率因數補償，實際上，當APF PCS用于主動諧波控制時，其補償功率因數的能力也就是其消除諧波功能的一個輔助功能，功率因數的補償幾乎是自然的結果。APF PCS提供動態補償(無階梯)，在任何情況下APF PCS都不會使系統電壓升高。在消除諧波的同時，主動濾波器還監視系統的諧振，APF PCS可以阻止任何這樣的不穩定。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，否則就不能安全地使用電容器。
另外，總功率因數的補償只是電力系統受益的一方面。參見全套產品使用指南可了解更多信息。
3.3 特殊應用注意事項
3.3.1 電弧焊機
電弧焊機是短時間斷續運行的負載。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不能夠滿足所有的電流需求。結果造成焊機電壓跌落，導致焊接效果不好。
在自動化生產工廠，例如汽車車身生產廠，在一個電源系統的電力系統中有多臺焊機，多臺焊機同時工作使得電壓跌落問題更加復雜，同時也使得焊接質量嚴重下降。
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測。這就導致確定諧波頻率很困難。當焊接電弧開始連續時，由于峰值電流幅值減小，諧波頻率較容易預測。然而，諧波電流始終無法預測。
除了在初始沖擊時周期出現的很高峰值電流外，這種不可預測的情況也使得選擇調節方案非常困難。
3.4 方案比較
3.4.1 靜態無功補償
調節方案之一就是采用靜態無功補償器。這種設備使用固定的功率因數電容器，通過晶閘管控制(TSC)實現快速通、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諧振。靜態無功補償可以保持系統電壓、減少電壓閃變、提高功率因數、矯正相間不平衡以及提高系統穩定性。可是，靜態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品質量。另外，與焊接特性相比，其響應速度相對較慢而不會很有效的跟隨。
3.4.2 動態無功補償
APF PCS電源補償系統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點。APF PCS非凡的響應速度使其成為一種有效的解決方案。
另外，動態無功補償只是電源補償系統的優點之一。參考系列產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
在電力系統中，諧波增加故障停機概率、增加電力設施的額外負擔、造成功率因數補償困難并使得總功率因數降低，從而導致運行成本增加。
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中，諧波抑制可降低資本損耗，增加電力系統容量。
3) 在拖動系統、UPS系統和其他有大量非線形負荷的系統中，通常要求將諧波控制在IEEE-519所規定的范圍內，以便提高總功率因數和降低運行成本.
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。通過適當的設計選型，APF PCS能將諧波減少到ANSI/IEEE 519-1992中規定的范圍并將功率因數提高到接近1的水平。
APF PCS直接并聯至線路中產生諧波的負荷。對于3相3線電力系統，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整IGBT的觸發來復制這一反向波形。這樣的處理得到的結果用于去除上游電力系統諧波電流。由于諧波電壓是諧波電流流過電源阻抗而產生的，因此它們也顯著地減少。
4.4 應用指南
APF PCS是一可調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。許多用于調速系統諧波抑制的設備必須使用電感器、變壓器以及其他電磁設備。
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，大多數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，當電源的獨立性比較低或拖動系統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5%的電抗值可以減少近35%的電流諧波畸變。
4.5.2 傳統濾波器
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的外圍設備并為單個電動機設計而加入到電力系統中。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分析的投資，并且會經常造成系統不對稱。
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，設備外形也較大。
4.5.4 APF PCS
APF PCS電源補償系統能夠為多個負荷(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)并且系統容量可調整。如果某一母線帶有許多非線性設備，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特點之一，參考全套產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。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，然后通過動態注入反向電流去除諧波。主動諧波抑制不僅具有傳統諧波濾波器的優點，而且其使用和技術要求都簡單得多，安裝簡便、控制全面，并符合IEE-519標準。
4.7 主動諧波抑制的主要優點
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補償電容。通過向負載提供完善的電源，APF PCS使系統進一步穩定。
c) APF PCS容量可調整。它用于母線處，其容量可根據需要而安裝。
d) 減少設備過熱的故障。