APF PCS 有源滤波器功能有哪些

APF PCS 有源滤波器功能有哪些

在本文中，我们将就APF PCS的四大功能: 动态补偿、抑制谐振、无功补偿、主动(有源)滤波进行详细介绍。

1. 动态补偿功能
1.1 概述
电弧焊机、电弧炉等负载在运行时会产生很高的浪涌电流，其持续时间只有几秒钟。这种周期性电流突变导致电源变压器磁通(励磁电流)饱和。磁路过饱和引起变压器输出电压急剧下降，从而导致负载运行性能降低或无法运行。
另外，电源系统在电压降低时会提供额外的电流来维持变压器电压，这样会在电力系统内产生新的浪涌成分。这些断续浪涌电流加剧电源系统的压降。当这种压降重复出现时，人们能感觉到的就是灯具的闪变（Flicker）。
1.2 APF PCS工作原理
APF PCS的设计原理是通过注入电流补偿负载需要的电流，从而减少对上游电力系统的需求。使用APF PCS后，出现浪涌电流时电源变压器就不需要提供大量的需求电流，变压器就不会过饱和。负载和电力系统的电压保持稳定，从而消除闪变干扰。
APF PCS采用模拟电流控制算法以实现超前快速响应。这就使得APF PCS在负荷快速变化期间能够实现瞬时响应，注入需要的电流，例如在电焊机的第一个浪涌期间。无论是谐波电流还是无功负载的变化，对APF PCS来说都没问题。APF PCS通过电流互感器监视负载状态，并通过注入这些负荷所需要的与注入的尖蜂周期数同样数量的电流实现快速响应。
通过使用这种瞬时接通机制，APF PCS可以保持系统电压水平、减少电压闪变、提高功率因数、提高产品质量和运行特性，这样，就提高了整个工厂的经济效益。

2. 抑制谐振功能
2.1 概述
很多电力系统都因为安装了电气参数相互关联的设备，由于彼此相互作用而产生共振。共振会导致设备故障，缩短设备使用寿命或增加其它开销。由于大量半导体设备（非线性负载），如变频驱动装置, UPS，电焊机和电池充电设备的应用，使电网共振越来越频繁的发生。共振是系统不稳定的一种形式。典型的情况是整个系统的元件相互影响，产生了不可预测的结果。发生相互影响的通常是无功元件，如电感，电容或晶闸管控制系统。当系统参数变化或由于负载的增加而扩大系统时，引起无功元件产生的共振相对普遍。为提高功率因数增加电容器或在母线处增加无功补偿滤波装置也是引起共振的原因。电源功率增加，电容器充电，靠近用户设备的变压器等是共振发生的潜在因素。
最不希望发生的是电压和电流发生共振。共振导致电压或电流超过系统中元件的设计极限，发生过载。例如，电容器两端产生极高的电压，流过很高的充放电电流，发生电压击穿或过热故障。根据共振的振幅大小，故障会立即发生或经过数月。由于故障发生时间很短而判断不出故障的真正原因。
由于半导体(非线形)负载产生的谐波接近系统固有的谐振频率, 因此系统产生谐振的可能性急剧增加。例如变频驱动装置产生的谐波就包含很多频率，直到29次谐波。其他传动装置或电容器组的特征谐振频率有可能在29次左右。需要注意的是, 电容器设计充放电速度为每秒钟60次，而不是29倍数。这样电容器有可能过热并导致故障。
消除谐振能够减少由于过热和电压崩溃造成的设备故障，同时延长设备的使用寿命。系统功率因数得到改善，谐波含量减少等等。在工矿企业供电系统中，避免了谐振引起的过热跳闸或功率因数补偿电容器不能正常运行等情形。
2.2 使用APF PCS消除谐振的效益
a) 设备费用低，占地少，操作简单。
b) APF PCS与负载并联连接，安装方便。
c) APF PCS易于升级。如果负载增加，可接入扩展单元。
d) APF PCS使用灵活。APF PCS可安装于主分配母线上，下级配电盘上，就地配电盘上或单一负载处，由用户确定最佳最佳补偿点。
2.3 完整的解决方案
APF PCS是一种电源补偿系统, 同时可将系统谐振电流和谐波电流去除。APF PCS通过注入反向电流，阻止谐振的产生。由于大多数电压谐振是由电流谐振引发的，所以通过补偿，电流谐振和电压谐振都会去除。
2.4 方案比较
独立安装但又相互干扰的设备间产生谐振无疑是最坏的结果，当面临消除谐振的问题时，人们有几种方法可以选择。最好的办法就是防止谐振，以下几种方法可供选择：
1) 增加或调整系统元件消除谐振
只要切除某个系统元件(通常是电容器)就可以解决谐振现象，但是随着谐振的去除，该元件所起的作用也被取消。更好的办法是既可以补偿总功率因数又不产生谐振。
2) 定制功率因数控制系统
定制电容器组通常在设计时就已经考虑防止谐振问题。然而由于这样的系统是专门设计的，所以不能升级，目前用户很少采用这种方法。
3) APF PCS电源补偿系统
通过正确的设计，在低压(最高至690V)电力系统中，APF PCS电源补偿系统能够彻底去除谐振。APF PCS设计简单、安装方便、性能可靠，并且系统可升级。APF PCS通常是费用较低的一种解决方案。去除谐振只是电源补偿系统的作用之一。参见全系列产品使用指南可以了解更多的信息。
电流互感器安装于三相中的两相上，为控制逻辑电路提供负载的上游电流波形，APF PCS去除波形中的基波(50或60赫兹)成分，将剩余部分的波形反向，然后控制IGBT的触发。这样得到的结果就是去除上游电力系统的谐波的成分。随着谐波电流的去除和基波频率反向电流的注入，总功率因数得到补偿。

3．无功补偿功能
3.1 概述
APF PCS是一种可安装于电力系统任意位置的弹性解决方案。它可安装于主分配母线、次级分配母线或单个负荷的就地控制柜处。由于与负载并联安装，所以不用负担全部负载电流。它的设计容量只是能够将功率因数提高到需要的水平的无功电流。例如，如果某负荷流过的电流为200安培有功电流和100安培的无功电流，那么APF PCS的容量只需要100安培。
如果由于负载的增加而使得无功电流的需要也相应增加，则可并联接入另一APF PCS单元，通过这种方法最多可以并联五个单元。
3.2 方案比较
当设备需要补偿功率因数时，可以选择下列方案：
3.2.1 传统的功率因数补偿电容器
传统的补偿功率因数的方法就是安装电容器。虽然电容器价格便宜，但有一定的缺陷。电容器必须以递增的方式增加，不能够很好地与需求量匹配，并且电容器的切换也会对系统造成冲击。另外电容器还有可能与系统其他设备部分共同作用形成谐振(查看产品使用指南可了解更多的这方面的内容)。有时，可通过增加适当的电感使电容器"失谐"而避免谐振。在轻载状态下，电容器有可能产生过电压。
3.2.2 多级电容器组
多级电容器组有多种递增电容，通过适当切换在负载变化时，可实现灵活的增加或减少。这些系统大多为特定的系统配置，不能升级。多级电容器组要作到经济运行通常是困难的。除了由于多种的电容的组合和负载的变化使得避免谐振更加复杂之外，多级电容器组还具有单组电容器的所有缺陷。
3.2.3 APF PCS
APF PCS电源补偿系统可以实现总功率因数补偿，实际上，当APF PCS用于主动谐波控制时，其补偿功率因数的能力也就是其消除谐波功能的一个辅助功能，功率因数的补偿几乎是自然的结果。APF PCS提供动态补偿(无阶梯)，在任何情况下APF PCS都不会使系统电压升高。在消除谐波的同时，主动滤波器还监视系统的谐振，APF PCS可以阻止任何这样的不稳定。APF PCS甚至可单独用做消除谐振，以便使用电容器补偿功率因数，否则就不能安全地使用电容器。
另外，总功率因数的补偿只是电力系统受益的一方面。参见全套产品使用指南可了解更多信息。
3.3 特殊应用注意事项
3.3.1 电弧焊机
电弧焊机是短时间断续运行的负载。在焊接的初始冲击时刻，焊机需要几个周期的足够的初始电流。在这期间，提供电源的电力系统不能够满足所有的电流需求。结果造成焊机电压跌落，导致焊接效果不好。
在自动化生产工厂，例如汽车车身生产厂，在一个电源系统的电力系统中有多台焊机，多台焊机同时工作使得电压跌落问题更加复杂，同时也使得焊接质量严重下降。
3.3.2 谐波电流的影响
由于各个周期的电弧不同，尤其是在焊机初始冲击期间，电弧焊机的电流无法预测。这就导致确定谐波频率很困难。当焊接电弧开始连续时，由于峰值电流幅值减小，谐波频率较容易预测。然而，谐波电流始终无法预测。
除了在初始冲击时周期出现的很高峰值电流外，这种不可预测的情况也使得选择调节方案非常困难。
3.4 方案比较
3.4.1 静态无功补偿
调节方案之一就是采用静态无功补偿器。这种设备使用固定的功率因数电容器，通过晶闸管控制(TSC)实现快速通、断切换。很多情况下，还需要使用晶闸管切换电感来防止系统谐振。静态无功补偿可以保持系统电压、减少电压闪变、提高功率因数、矫正相间不平衡以及提高系统稳定性。可是，静态无功补偿通常用于变压器的上游。这样就无法矫正负载处的问题和提高产品质量。另外，与焊接特性相比，其响应速度相对较慢而不会很有效的跟随。
3.4.2 动态无功补偿
APF PCS电源补偿系统是一种灵活的无功补偿装置。具有使用地点灵活和控制精度高，容量可扩展升级等优点。APF PCS非凡的响应速度使其成为一种有效的解决方案。
另外，动态无功补偿只是电源补偿系统的优点之一。参考系列产品使用指南可以了解更多的信息。

4. 主动(有源)滤波
4.1概述
在电力系统中，谐波增加故障停机概率、增加电力设施的额外负担、造成功率因数补偿困难并使得总功率因数降低，从而导致运行成本增加。
4.2 谐波抑制的效益
1) 在自动化工厂里，谐波抑制将控制信号的畸变减到最小，从而最大限度确保正常运行。
2) 在投资巨大的电力系统中，谐波抑制可降低资本损耗，增加电力系统容量。
3) 在拖动系统、UPS系统和其他有大量非线形负荷的系统中，通常要求将谐波控制在IEEE-519所规定的范围内，以便提高总功率因数和降低运行成本.
4.3 APF PCS工作原理
APF PCS是一套使用模拟和数字逻辑电路进行电流检测和电流注入，以消除谐波和提供无功电源的电力电子系统。通过适当的设计选型，APF PCS能将谐波减少到ANSI/IEEE 519-1992中规定的范围并将功率因数提高到接近1的水平。
APF PCS直接并联至线路中产生谐波的负荷。对于3相3线电力系统，电流传感器安装于其中的两相上，为逻辑控制电路提供负荷的电流波形。APF PCS逻辑电路会去除波形中的基频(50和60赫兹)成份。逻辑电路将剩余的波形反向并调整IGBT的触发来复制这一反向波形。这样的处理得到的结果用于去除上游电力系统谐波电流。由于谐波电压是谐波电流流过电源阻抗而产生的，因此它们也显著地减少。
4.4 应用指南
APF PCS是一可调的谐波畸变解决方案。APF PCS可用于控制具有一个或多个负载的系统中存在的或可能存在的谐波。APF PCS额定电流为母线上总谐波电流和无功电流之和的均方根值。
如果总谐波电流超出单个APF PCS的额定值，可并联接入另外的APF PCS单元。
4.5 方案比较
有多种方法进行谐波抑制。许多用于调速系统谐波抑制的设备必须使用电感器、变压器以及其他电磁设备。
4.5.1 电感器/变压器
如今，即使是用做保护电机的瞬变状态，大多数线性电抗器和变压器还是只用于有限的交流拖动谐波抑制中。事实上，当电源的独立性比较低或拖动系统没有积分式直流母线扼流时，只有精确计算电感器的大小才有可能获得较显著的谐波控制。在耦合点处满负荷时，串联5%的电抗值可以减少近35%的电流谐波畸变。
4.5.2 传统滤波器
一个无源滤波器由一系列分装的无源电容器/电感器线路和一系列电感器或变压器组成。它们通常作为拖动系统的外围设备并为单个电动机设计而加入到电力系统中。多台电动机就需要多台滤波器。
如果要提出更好的单一滤波器(用于母线处)的解决方案，则需要大量进行系统分析的投资，并且会经常造成系统不对称。
4.5.3 多脉冲电机
仅仅是因为单台电机谐波抑制的需要，产生了多脉冲电机。大功率的多脉冲电机在污水厂被广泛使用，但其他工厂的用户很少使用这种电机。尤其是在低压小功率时，所需投资较大，设备外形也较大。
4.5.4 APF PCS
APF PCS电源补偿系统能够为多个负荷(所有类型)或单一大负荷提供彻底的谐波抑制。通过比较可看出本系统方案简单，安装方便(与在负载处进行滤波方案相比较而言)并且系统容量可调整。如果某一母线带有许多非线性设备，APF PCS则是总投资较低的解决方案。
另外，主动谐波抑制只是电源补偿系统特点之一，参考全套产品使用指南可以了解更多的信息。
4.6 完备的解决方案
APF PCS是一套提供主动谐波抑制的电源补偿系统。它通过检测畸变的电信号，确定其中谐波成份的频率和振幅，然后通过动态注入反向电流去除谐波。主动谐波抑制不仅具有传统谐波滤波器的优点，而且其使用和技术要求都简单得多，安装简便、控制全面，并符合IEE-519标准。
4.7 主动谐波抑制的主要优点
a) 烦琐的谐波分析最大限度减少。
b) 无须使用电源功率因数补偿电容。通过向负载提供完善的电源，APF PCS使系统进一步稳定。
c) APF PCS容量可调整。它用于母线处，其容量可根据需要而安装。
d) 减少设备过热的故障。