通过谐波缓解实现清洁能源

边栏:线路电流谐波

由于谐波产生设备的广泛使用，以及现在安装在独立机器和加工生产线上的更多设备对谐波敏感，谐波在今天更受关注。谐波失真会导致敏感电子设备和发电机的误操作。

谐波考虑也是满足EMC(电磁兼容性)要求的一部分，特别是EMC频谱的低频端。寻求服务于全球市场的制造商不应忽视这一点。

所有非正弦波形都包含谐波。根据傅里叶定理，任何非正弦波形都可以用基波加上一个或多个谐波来描述。谐波的频率是基频的整数倍。基频是电网的频率，50/ 60hz。“谐波”一词用于描述电流和电压畸变。

设备级的缓解

由于连接到供电系统的所有设备产生的电流谐波会在网络中累积，因此每个设备产生的谐波的小幅减少可能会大大节省变压器的热损失。变压器的热损失与变压器的负荷直接相关;变压器的铜损与电流的平方成正比。如果变流器为电机提供一定的功率，则无论扼流圈如何，它都需要相同的基本电流分量is1。额外的损耗是由器件产生的不必要的谐波引起的。从下面的总谐波失真(THD)公式可以看出，THD越小，总均方根电流越小，从而减少了网络中的损耗。

部分负荷下的谐波消减

标准IEC 61000-3-2和预期标准IEC 61000-3-12仅限制标称负载下的谐波量，但对部分负载下的谐波量没有限制。连接到供电系统的每个设备都不是一直在标称负载下运行，特别是如果它是一个变速驱动器，根据负载的不同需求控制电机的速度。VFD(变频驱动)通过根据需要调节速度和扭矩来实现高效的需求侧能源利用;因此，变频器经常在部分负荷下持续运行。

在采用传统lc滤波器的整流器中，谐波含量随着负载的减小而迅速增加。谐波电流的幅值也减小，但其占有效值电流的比重增大。通过降低部分负荷的谐波，降低整个供电系统的谐波。这就是摆动扼流圈装置的基础，它可以通过创建电感随着负载降低而增加的扼流圈来降低部分负载下的THD。摆动扼流圈的大小和重量与传统扼流圈相同。它与传统扼流圈的不同之处在于，它的电感根据流过它的电流而变化。

摆动式扼流圈结构

气隙在低电流时很小，随着电流的增大而增大。

在变频器中使用摆动扼流圈的主要目的是降低部分负载时的线路电流谐波。这样的扼流圈也降低了峰值线电流和峰对峰直流总线纹波电流，特别是在部分负载条件下。具有一定直流电容组的器件产生的总谐波失真直接取决于驱动器中扼流圈的电感。电感越大，THD越低。在传统扼流圈中，THD随着负载的减小而迅速增加，因为无论负载如何，其电感都是恒定的。相反，由于摆动扼流圈设计的电感随着负载的减少而增加，它减少了部分负载下的THD量。

为了获得非线性电感扼流圈，改变了气隙的形式。为了在小电流下增加电感，在EI-core扼流圈的中心柱中间引入了一个“阶跃”(见“气隙形式示例”图形)。当电流增加时，“步进”开始饱和，这降低了扼流圈的电感。

“气隙形式示例”图显示了当扼流圈携带大电流时，磁通密度在扼流圈中的分布情况。可以看出，“台阶”中的磁通密度非常高，因此，台阶中的铁的磁导率与空气的磁导率几乎相同。这种解释有点简化，但可以说，气隙在低电流时很小，并随着电流的增加而增大。

在部分负载下测试缓解

装有由再生驱动器控制的发电机，电机的能量被转移到另一个网络。

线路电流谐波测试是根据IEC 61000-3-12标准在标称负载下进行的。还测量了不同负载下的THD，以表明摆动扼流圈的相对性能。使用电流分流器，用功率分析仪测量线路谐波。当变频器运行在50hz弱磁场区域时，测量了所有三相的电流。测量电源输出的有功功率和电流。

根据即将发布的IEC 61000-3-12标准，根据“总谐波失真测量的测试设置”图形，选择添加到供电系统的附加电感的值来调整电源的短路功率，并获得合适的短路比RSCE(阻抗:负载除以源阻抗的比率)的值。RSCE的值应高于未来IEC 61000-3-12标准定义的最低值192。这意味着附加电感的值取决于额定值

在R3帧尺寸的VSD中，测量了传统扼流圈和新型摆动扼流圈设计的输入线电流THD。

被测驱动器的功率。电机装有一个由再生驱动控制的发电机，它将能量转移到另一个网络，因此不会干扰谐波测量。电源变压器的星点接地，在测量过程中，没有其他设备连接到同一变压器上。

测量结果

“测量的输入线电流THD”图形显示了ABB变频器的THD测量结果。结果表明，摆动式直流扼流圈抑制谐波的能力高于同等尺寸和重量的传统直流扼流圈。与上一代ABB变频器中通常使用的直流扼流圈相比，在额定负载的一半左右，THD至少降低了25%。

与传统扼流圈相比，ACS550摆动扼流圈的变压器热损失。

如前所述，当THD量减少时，变压器的热损失也会减少。“变压器热损失”图表显示了与传统扼流圈相比，采用这种新型扼流圈设计时变压器热损失的示例。这个例子是基于“测量输入线电流”图形中显示的THD测量。由于在一定电机功率下所需的均方根电流减小，变压器的热损耗减小。换句话说，整个网络的功率处理效率得到了提高。

专利扼流圈设计减少了全负荷和部分负荷下的谐波，与传统反应堆设计相比，总谐波减少高达30%;与没有电抗器的驱动器相比，高达64%(估计是基于1%的电力系统阻抗)。

作者信息

Nicklas Sodo是芬兰赫尔辛基ABB驱动与电力电子公司的设计工程师;

线路电流谐波

通过连接到电网的非线性负载注入电网，线路电流谐波是60hz的倍数。非线性负载是指输入电流波形为非正弦的器件;换句话说，电流波形不跟随电压波形。

在工业环境中发现的此类设备的常见示例包括变频驱动器(VFD)，焊机，开关模式电源，电池充电器，UPS系统，计算机，电子照明等。这些会产生电流谐波，在供电系统中造成额外的损失，并降低系统的有功功率处理能力。谐波也会影响电压波形，这可能导致与产生谐波的变压器连接的其他敏感设备发生故障。

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