Admin 滤波补偿通俗的讲就是谐波治理和无功补偿作为一个整体来进行考虑而形成的,在搞清楚滤波补偿前先要弄清楚以下几个概念:
一、名词解释:
1. 何为谐波?
“谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国,由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。
到了50年代和60年代,由于高压直流输电技术的发展,发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。70年代以来,由于电力电子技术的飞速发展,各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛,谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议,不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。
谐波研究的意义,道德是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低,使电气设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振,使谐波含量放大,造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作,使电能计量出现混乱。对于电力系统外部,谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。
2. 谐波抑制
为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题,基本思路有两条:一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波,这对各种谐波源都是适用的;另一条是对电力电子装置本身进行改造,使期不产生谐波,且功率因数可控制为1,这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。
装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波,又可补偿无功功率,而且结构简单,一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响,易和系统发生并联谐振,导致谐波放大,使LC滤波器过载甚至烧毁。此外,它只能补偿固定频率的谐波,补偿效果也不甚理想。
3. 无功补偿
人们对有功功率的理解非常容易,而要深刻认识无功功率却并不是轻而易举的。在正弦电路中,无功功率的概念是清楚的,而在含有谐波时,至今尚无获得公认的无功功率定义。但是,对无功功率这一概念的重要性,对无功补偿重要性的认识,却是一致的。无功补偿应包含对基波无功功补偿和对谐波无功功率的补偿。
无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的。因此,粗略地说,为了输送有功功率,就要求送电端和受电端的电压有一相位差,这在相当宽的范围内可以实现;而为了输送无功功率,则要求两端电压有一幅值差,这只能在很窄的范围内实现。不仅大多数网络元件消耗无功功率,大多数负载也需要消耗无功功率。网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然,这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的,通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率,这就是无功补偿。
无功补偿的作用主要有以下几点:
(1) 提高供用电系统及负载的功率因数,降低设备容量,减少功率损耗。
(2) 稳定受电端及电网的电压,提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性,提高输电能力。
(3) 在电气化铁道等三相负载不平衡的场合,通过适当的无功裣可以平衡三相的有功及无功负载。
二、谐波和无功功率的产生
在工业和生活用电负载中,阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作,这是由其本身的性质所决定的。
电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率,特别是各种相控装置。 如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器,在工作时基波电流滞后于电网电压,要消耗大量的无功功率。另外,这些装置也会产生大量的谐波电流,谐波源都是要消耗无功功率的。二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同,所以基本不消耗基波无功功率。但是它也产生大量的谐波电流,因此也消耗一定的无功功率。
近30年来,电力电子装置的应用日益广泛,也使得电力电子装置成为最大的谐波源。在各种电力电子装置中,整流装置所占的比例最大。目前,常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路,其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。带阻感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟悉。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严惩的谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同,因而基波功率因数接近1。 但其输入电流的谐波分量却很大,给电网造成严重污染,也使得总的功率因数很低。另外,采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。
三、无功功率的影响和谐波的危害
1.无功功率的影响
(1)无功功率的增加,会导致电流增大和视在功率增加,从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。
。同时,电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。
(2)无功功率的增加,使总电流增大,因而使设备及线路的损耗增加,这是显而易见的。
(3)使线路及变压器的电压降增大,如果是冲击性无功功率负载,还会使电压产生剧烈波动,使供电质量严重降低。
2.谐波的危害
理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现,对公用电网是一种污染,它使用电设备所处的环境恶化,也对周围的能耐电力电子设备广泛应用以前,人们对谐波及其危害就进行过一些研究,并有一定认识,但那时谐波污染还需要严惩没有引起足够的重视。近三四十年来,各种电力电子装置的迅速使得公。用电网的谐波污染日趋严重,由谐波引起的各种故障和事故也不断发生,谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。
(1)谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗,降低了发电、输电及用电设备的效率,大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。
(2)谐波影响各种电气设备的正常工作。 谐波对电机的影响除引起附加损耗外,还会产生机械振动、噪声和过电压,使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短,以至损坏。
(3)谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振,从而使谐波放大,这就使上述(1)和(2)的危害大大增加,甚至引起严重事故。
(4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作,并会使电气测量仪表计量不准确。
(5)谐波会对邻近的通信系统产生干扰,轻者产生噪声,降低通信质量;重者导致住处丢失,使通信系统无法正常工作。
四、无功补偿的原理
1、无功补偿的原理 电网输出的功率包括两部分;一是有功功率;二是无功功率.直接消耗电能,把电能转变为机械能,热能,化学能或声能,利用这些能作功,这部分功率称为有功功率;不消耗电能;只是把电能转换为另一种形式的能,这种能作为电气设备能够作功的必备条件,并且,这种能是在电网中与电能进行周期性转换,这部分功率称为无功功率,如电磁元件建立磁场占用的电能,电容器建立电场所占的电能.电流在电感元件中作功时,电流超前于电压90℃.而电流在电容元件中作功时,电流滞后电压90℃.在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反,互差180℃.如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件,使两者的电流相互抵消,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小,从而提高电能作功的能力,这就是无功补偿的道理.
2.无功补偿的意义
(1)补偿无功功率,可以增加电网中有功功率的比例常数
(2)减少发,供电设备的设计容量,减少投资,例如当功率因数cosΦ=0.8增加到cos4=0.95时,装1Kvar电容器可节省设备容量0.52KW;反之,增加0.52KW.对原有设备而言,相当于增大了发,供电设备容量.因此,对新建,改建工程.应充分考虑无功补偿,便可以减少设计容量,从而减少投资.
(3)降低线损,由公式△P%=(1-cosΦ/cosΦ)X100%得出其中cosΦ为补偿后的功率因数,cosΦ为补偿前的功率因数则
cosΦ>cosΦ,所以提高功率因数后,线损率也下降了.减少设计容量,减少投资,增加电网中有功功率的输送比例,以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益.所以,功率因数是考核经济效益的重要指标,规划、实施无功补偿势在必行.
3.无功补偿的原则
提高用电单位的自然功率因数,无功补偿分为集中补偿,分散补偿和随机随器补偿,应该遵循:全面规划,合理布局,分级补偿,就地平衡;集中补偿与分散补偿相结合,以分散补偿主;高压补偿与低压补偿相结合,以低压补偿为主;调压与降损相结合,以降损为主的原则.
4.无功补偿装置的组合元件
(1)低压无功补偿设备的组合元件
①无功功率自动补偿控制器
根据电网无功功率是否达到无功设定值来控制电力电容器的投入和切除,并且有过,欠电压保护功能
②无触点可控硅模块或智能复合开关
③电容器(内带放电电阻)
④熔断器
⑤电流互感器
⑥避雷器
⑦开关
⑧电抗器(对无触点开关起到过电流保护作用;对防止电容器过电流也起到抑制作用)
另外,还装配监视用的电压表,电流表,功率因数表和信号指示灯等.
五、滤波补偿节能装置的选择
以
SLTF型滤波补偿节能装置
为例:
该装置用晶闸管作为投切开关实现滤波器的无触点自动投切,可以连续频繁投切滤波器组而不影响开并和电容器的寿命。滤波器可滤除系统中谐波电流,改善电压波形畸变,快速跟踪系统无功电流的变化,就地进行无功补偿,改善用户的功率因数,降低电耗,稳定母线电压,可广泛应用于电力、冶金、煤矿、化工、轻工、建材、机械等行业中具有快速波动负荷的低功率因数及谐波源用户。
低压滤波装置的技术特点;
以单片机为核心,结构简单、功能强大、可靠性高;
按照负荷的无功电流、谐波电流进行调节,可实现快速跟踪;
动态响应速度快;
根据谐波源的特性设定滤波器的投切方式和控制策略,投切时无暂态冲击;
针对三相平衡负荷和不对称负荷可实现三相或分相投切,克服了传统的交流接触器投切方式的缺点
无合闸涌流冲击、无电弧重燃、无须放电即可再投;
实时显示系统的功率因数、母线电压及保护动作信号;
具有通讯功能;
具有手动、自动切换功能;
控制器与微机保护配合具有较全面的保护功能:
滤波器组过电流保护
滤波器组电流速断保护
晶闸管过热保护
三相电流不平衡保护
过电压、欠电压保护
低压滤波装置的主要技术指标
动态响应时间: ≤20ms
最大单级容量: 500kvar
分级调节: 2~7级
系统电压: <690V
基波频率: 50HZ
环境温度: 0~42℃
相对湿度: <85% (环境温度为25 ℃)
大气压力: 80~110kpa(海拔2000米以下)
六、电容在滤波中的应用
电容和电阻是电路中最常用的,实现滤波、LC振荡、积分、储能等功能的电路中都需要电容。实际的电容还会显示电感和电阻分量,市场有无阻电感和电容实际上就是电阻分量较少。电感分量的存在,使得实际电路中电容的成分更加复杂,可以用LC网络来等效。我现在用电容,更多的是用于滤波上。大致可以分成两种主要应用:一是干扰的滤波,特别对数字芯片而言;二是有源滤波器。
电容滤掉高频干扰很容易理解,电容的特性就是隔直通交流。电容隔直信号的频率可以算出来,比如印制板信号地和外壳地之间常使用穿心电容抑制干扰,一般穿心电容厂商会对应给出个电容的滤波特性让使用者选用。实际电容的角频率为时,会发生谐振。这时阻抗最小,滤波效果最好。若超过谐振点,阻抗特性呈现出感性,随频率增加而增加,效果会变差。为滤除高频率干扰,需要尽量提高电容谐振频率,尽量选择电感小的产品。
数字芯片滤干扰信号是为了防止引起误反转,需要在芯片供电的管脚,在电源与地之间连接上去耦和滤波电容,一般要求是尽量靠近电源,然后直接接地。电容量的大小和外界干扰信号有关,有的数字芯片手册会重点写出要求。一般是一个0.1u的电容,有时还需要并上一个10u的电容,也是针对不同频率信号的滤波吧。
在有源滤波器上,电容不可或缺,开关电容滤波器里电容同样是不可缺少的。在这里会有一个问题就是电容的容值很难做到高精度,一般也就1%。有时设计正确的实现方案,用在滤波截至频率有严格要求的领域,是不可容忍的。只能采取调试的办法,选取不同容值的电容来试,确实不太经济,也给设计实现带来很大困难。
有一点需要提出来说,电容温度稳定性不好,工作电压也会影响电容器性能。选用时需要注意。
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