無源動態(tài)濾波技術(shù)在紡織廠的應(yīng)用

王仕元 周義德 袁佑新 應(yīng) 杰 邱萬福

（1.中原工學(xué)院，河南鄭州，450006；2.武漢理工大學(xué)，湖北武漢，430070；3.南京康迪欣電氣成套設(shè)備有限公司，江蘇南京，213000；4.南陽紡織集團有限公司，河南南陽，473200）

隨著紡織設(shè)備向高速化、自動化、連續(xù)化方向發(fā)展，工業(yè)變頻技術(shù)在紡織設(shè)備中被廣泛應(yīng)用。變頻器在對紡織主機設(shè)備進行工藝調(diào)速和控制的同時，會向電網(wǎng)輸出諧波分量，諧波的存在會影響電網(wǎng)質(zhì)量，造成正常生產(chǎn)的紡織設(shè)備出現(xiàn)電氣故障。例如：作為無功補償?shù)碾娙萜靼l(fā)熱嚴(yán)重，時有起火燒毀；低壓斷路器出現(xiàn)不明原因跳閘；電子清紗器誤動作，程序控制元件失靈，電纜和變壓器發(fā)熱等，這些故障的發(fā)生隨機性大，排查十分艱難復(fù)雜［1］。針對以上問題，我們在對紡織廠配電網(wǎng)波形進行檢測的基礎(chǔ)上進行了深入的分析，認為：一是變頻器在驅(qū)動交流電動機進行工藝調(diào)速的同時也產(chǎn)生了各次電力諧波，變頻器是主要諧波源；二是變頻器在進行交-交（AC/AC）和交-直-交（AC/DC/AC）變換以及拖動負載的過程中，由電力電子器件（IGBT 或SCR）產(chǎn)生諧波；三是目前國內(nèi)使用的變頻器普遍采用低電平拓撲結(jié)構(gòu)，而低電平拓撲結(jié)構(gòu)變頻器產(chǎn)生的諧波以5 次、7 次、11 次為主，其中，5 次諧波對供電系統(tǒng)的污染及危害性最大。由此得出變頻器在逆變過程中產(chǎn)生的電力諧波是主要影響因素。鑒于以上原因，我們采用無源動態(tài)濾波技術(shù)對配電網(wǎng)進行了整治。其結(jié)果表明：使用無源動態(tài)濾波器可有效降低諧波電壓、電流畸變率，同時吸收并降低5 次諧波電流值50%以上，降低變壓器低壓側(cè)電流有效值。保證紡織廠配電網(wǎng)運行安全，減少事故發(fā)生，提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)降低變壓器低壓側(cè)有效電流5%以上的節(jié)能效果。

1 紡織車間諧波

1.1 產(chǎn)生原因

通過對紡織車間主要電氣回路檢測可知，紡織車間幾乎各個工序都有諧波產(chǎn)生。主要是因為紡織設(shè)備為實現(xiàn)自動調(diào)速目的，梳棉、并條、精梳、粗紗、細紗和絡(luò)筒等工序均對主電機采用變頻器進行變頻調(diào)速控制。例如：粗紗機傳動羅拉、錠翼、筒管和龍筋升降，分別采用4 kW、4 kW、5.5 kW 和0.55 kW 交流異步電機傳動，用4 個變頻器進行集成控制變頻調(diào)速，并嵌入工藝卡，采用控制模型和變頻器一體控制，實現(xiàn)粗紗機成紗質(zhì)量升級上檔，實現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)；自動絡(luò)筒機采用直流單錠控制傳動，單錠動力驅(qū)動中大量采用小功率直流無刷電機和步進電機，需要大量的直流電源和整流設(shè)備；自動絡(luò)筒機負壓風(fēng)機由變頻器控制，負壓傳感器實時檢測負壓風(fēng)道負壓，根據(jù)耗氣量大小自動調(diào)節(jié)吸風(fēng)電機轉(zhuǎn)速，達到恒負壓控制節(jié)能的目的；梳棉機錫林電機采用專用變頻驅(qū)動裝置控制，錫林啟動平穩(wěn)無沖擊；細紗機對主電機進行變頻，紡紗全過程采用變頻調(diào)速技術(shù)，使大、中、小紗紡紗張力趨于一致，降低紗線不勻率等。

這些變頻器和整流設(shè)備的大量使用，在獲得工藝調(diào)速的同時，也向紡織廠配電網(wǎng)釋放了大量的多次諧波。

1.2 諧波的傳播

由于目前大中型棉紡織廠的低壓配電設(shè)計，一般都采用自變壓器低壓側(cè)至用電設(shè)備之間三級放射式配電系統(tǒng)，當(dāng)機臺設(shè)備諧波產(chǎn)生后，除了會影響本機臺電網(wǎng)質(zhì)量外，還會沿著支線和干線電纜逐級橫向和縱向傳播，直至疊加至變壓器低壓母線側(cè)，并通過變壓器傳播至高壓母線柜，并可上傳至上一級電網(wǎng)。諧波也可能通過電氣回路向相鄰設(shè)備橫向傳播和疊加。諧波傳播和疊加的過程是一個復(fù)雜多變的過程，影響因素極多，可能會在某個瞬時造成較大的諧波沖擊，導(dǎo)致設(shè)備故障。

1.3 諧波對紡織生產(chǎn)的影響

諧波會造成控制系統(tǒng)無故停車，粗細聯(lián)控制系統(tǒng)故障，絡(luò)筒機電子清紗器誤動作，自調(diào)勻整系統(tǒng)運行不穩(wěn)定；使精梳機、粗紗機無故停車，細紗機主電機發(fā)熱，輸出轉(zhuǎn)矩下降；電纜發(fā)熱、變壓器發(fā)熱等。

諧波會使電氣測量儀表測量不準(zhǔn)確，造成計量誤差。諧波會影響電表的計量精度從而導(dǎo)致計量誤差，因為在高次諧波嚴(yán)重的情況下，電能表的計量精度下降，導(dǎo)致莫名其妙的丟電現(xiàn)象。精密電子設(shè)備會被嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致不能正常工作，甚至燒毀。

電力線路上有幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時，會在鄰近通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，對紡織生產(chǎn)智能化造成威脅。

諧波對供電系統(tǒng)的影響是造成電纜發(fā)熱，輸送電流能力下降，低壓補償裝置發(fā)熱起火，低壓柜發(fā)熱噪聲增大，接觸元件故障斷開；供電系統(tǒng)斷路器的開斷能力降低，產(chǎn)生跳閘、誤動作或拒動等故障；使控制系統(tǒng)失靈，運行不穩(wěn)定，動作失去選擇性，可靠性降低，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。

諧波增加了車間變壓器銅損、磁損、鐵損引起過熱，產(chǎn)生附加損耗，使其絕緣老化導(dǎo)致?lián)p壞，噪聲增大，增加了額外電力損耗。低壓側(cè)有效電流增加，無用能耗增加。諧波對高壓側(cè)的影響主要是增加了供電系統(tǒng)的無用能耗，電網(wǎng)實際收益下降。

1.4 紡織車間諧波特性分析

由于三相整流變壓器采用Y/△或△/Y 的接線形式，這樣可以消除3 的整數(shù)倍次的電力諧波，從而使注入電網(wǎng)的諧波電流只有5、7、11……等次諧波［2］，所以奇數(shù)次諧波成為紡織車間諧波影響的主要因素。通過對某棉紡廠低壓配電室母線進線側(cè)檢測，最大相各次諧波電流及基波電流有效值如圖1 所示。

圖1 601 號變壓器諧波治理前低壓母線電流值

從圖1 可以看出，電流波形畸變嚴(yán)重，各次諧波電流所占比例如表1 所示。從表1 可以看出，對紡織車間影響最大的是5 次和7 次諧波，分別占到基波電流的13.1%和6.4%，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB17625.6—2003《電磁兼容限值對額定電流大于16 A 的設(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波電流的限制》規(guī)定，5 次諧波電流占基波電流有效值的比例應(yīng)不大于10.7%［3］，5 次諧波電流超標(biāo)，治理時應(yīng)著重考慮5 次諧波的治理。

表1 各次諧波電流及基波電流有效值（最大相）

2 諧波治理方案比較

目前電力諧波治理技術(shù)主要分為有源濾波、無源濾波、無源動態(tài)調(diào)諧濾波等方式，主要特點性能分析如下。

2.1 有源濾波技術(shù)

有源電力濾波器（以下簡稱APF）是一種應(yīng)用電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論與方法實現(xiàn)動態(tài)抑制諧波與無功補償?shù)牡诙鸀V波技術(shù)。APF 產(chǎn)生一個與諧波電流大小相等、方向相反的補償電壓（電流）波，采用抵消法使電網(wǎng)側(cè)的電壓（電流）波形只包含基波分量，處理后波形幾乎為純正弦波。

APF 分為串聯(lián)型和并聯(lián)型。串聯(lián)型APF 通過變壓器串聯(lián)在電源與非線性負載之間，可等效為一個受控電壓源，APF 產(chǎn)生補償電壓，通過抵消由非線性負載產(chǎn)生的諧波電壓，使電源側(cè)的電壓波形為正弦波；并聯(lián)型APF 與交流系統(tǒng)并聯(lián)，可等效為一個受控電流源，并聯(lián)型APF 可產(chǎn)生與非線性負載電流大小相等、方向相反的諧波電流，通過抵消使電源側(cè)的電流波形為正弦波。原理圖如圖2 所示。

圖2 有源濾波器接入系統(tǒng)圖

有源濾波器針對諧波電壓和電流波形的抑制效果明顯，可濾除2 次～50 次電壓電流諧波，對改善諧波環(huán)境、提高電能質(zhì)量有好處；主要應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、信號通訊等用電功率較小，對諧波要求高，要求干擾因素小的領(lǐng)域［4］。但是，從有源濾波器在紡織企業(yè)的使用效果來看，對電壓畸變率THDu 降低1.4%；電流畸變率THDi 降低20.1%；電流有效值Is 僅降低0.8%［5］；說明有源濾波器針對諧波電壓和電流波形的抑制效果較明顯，對改善諧波環(huán)境、提高紡織車間電能質(zhì)量有好處。但有源濾波器對紡織車間內(nèi)由變頻器等非線性負載產(chǎn)生的諧波電流吸收效果較差，對諧波環(huán)境下的電流有效值下降基本無作用。這也說明了有源濾波方法采用抵消的方法，主要是以抑制諧波的波形為目的，不能吸收諧波電流，節(jié)能效果較差。并且設(shè)備容量小，造價高，在大容量場合無法使用，對紡織廠的變頻器及大容量分散設(shè)備，以減少電流有效值、節(jié)能為主的情況不適用。

2.2 無源濾波

無源電力濾波器本質(zhì)是采用頻域處理方法，將非正弦周期電流分解成傅里葉級數(shù)，對某些諧波進行吸收以達到治理的目的。無源電力濾波器主要由電容器和電抗器組成串聯(lián)LC 諧振電路，其諧振頻率設(shè)定為與需要濾除某主次諧波頻率相接近，對相應(yīng)頻率諧波電流進行分流，使主次諧波大部分流入無源濾波器，從而起到濾波的目的［6］，原理圖如圖3 所示。無源諧波濾波器的濾波效果好，容量大、成本低、技術(shù)成熟、可靠性高，是解決變頻器諧波電流問題的可選設(shè)備。但是，無源諧波濾波器只能對特定諧波進行濾波，濾波參數(shù)會影響濾波性能，對于諧波次數(shù)經(jīng)常變化的負載濾波效果不好。可能與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串聯(lián)諧振，隨著電源側(cè)諧波源的增加，可能會引起濾波器的過載，電網(wǎng)中的某次諧波電壓可能在LC 網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生很大的諧波電流等［7］。紡織廠由于變頻器數(shù)量多，分布面積大，工藝參數(shù)不斷變化，變頻器調(diào)節(jié)頻繁，諧波的傳播和疊加過程復(fù)雜，諧波參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，LC 參數(shù)無法調(diào)控和參數(shù)的離散化等，造成無源濾波器諧振頻率精度不高，諧振點偏移、濾波效果變差。

圖3 無源濾波器原理圖

2.3 無源動態(tài)調(diào)諧治理技術(shù)

無源動態(tài)濾波器拓撲結(jié)構(gòu)如圖4 所示。無源動態(tài)濾波器接入變壓器的二次側(cè)，主要由諧波/基波變換器、電能變換驅(qū)動器和全調(diào)諧濾波控制系統(tǒng)等組成［8］。

圖4 無源動態(tài)濾波器原理圖

無源動態(tài)調(diào)諧濾波技術(shù)具有吸收諧波電流和抑制諧波電壓/電流波形的雙重特性；通過控制基波與諧波電流的特征值和關(guān)聯(lián)度，直接吸收諧波電流、實現(xiàn)基波轉(zhuǎn)換；降低基波電流和電流有效值，使變壓器二次側(cè)交流母排基波電流和電流有效值同步降低，實現(xiàn)了諧波動態(tài)治理及節(jié)電。

諧波動態(tài)治理方法適合于小、中、大容量多機臺變頻器拖動、非線性負荷變化影響因素較多，對諧波電流治理要求較高，需要采用實時跟蹤電力諧波變化，實時檢測電力諧波與無功電流，動態(tài)治理諧波的場所，適合于紡織企業(yè)的諧波治理需要。

采用無源動態(tài)調(diào)諧濾波技術(shù)需要對諧波源進行特性檢測，根據(jù)檢測結(jié)果量身定制諧波治理方案，確定諧波治理構(gòu)架回路，設(shè)備集成后，通過現(xiàn)場調(diào)試的方法，達到諧波治理的目標(biāo)。

3 紡織企業(yè)諧波治理

紡織車間的諧波特點是設(shè)備臺數(shù)多，裝機功率大，布置分散。變頻器使用的型號、規(guī)格、臺數(shù)多，產(chǎn)生的5 次諧波畸變率高。隨著紡織設(shè)備自動化程度提高，諧波治理刻不容緩。由于不同的主機設(shè)備對諧波的敏感性不同，需要針對具體情況進行治理。例如，對諧波極為敏感的絡(luò)筒機電子清紗器等部位，宜采用就地濾波的方案進行治理。

由于低壓側(cè)配電支路眾多，強、弱電接線復(fù)雜，線性負載與非線性負載并存，諧波對相鄰配電支路的干擾在所難免，其中既有電力方面的，也有信號方面的。采用就地補償方式，可消除諧波的臨近干擾，提高電子儀器設(shè)備運行的安全性和可靠性。

另外，采用就地補償可以大大減少輸電線路中的諧波含量，降低線路損耗和絕緣老化，避免安全事故發(fā)生。按照電力諧波源的頻譜規(guī)律，配電線路對諧波電流的等效阻抗約為其對基波阻抗的2 倍，電力變壓器繞組對諧波電流的等效阻抗約為其對基波阻抗的5 倍～10 倍。因此30%的電流諧波等效含量，可導(dǎo)致配電線路損耗額外增加15%～20%，電力變壓器銅損額外增加30%～40%。采用就地補償，及時消除配電線路中的諧波，能有效降低諧波導(dǎo)致的線損及變壓器銅損［9］。

使用中可在絡(luò)筒車間動力柜并聯(lián)無源動態(tài)調(diào)諧濾波器。修正絡(luò)筒機側(cè)電源電壓/電流波形，保護電子清紗器等高精度電子器件的高效工作。缺點是需要的治理設(shè)備臺數(shù)較多，布置分散，投資較大。

對其他面大量廣的紡織車間工序，宜采用低壓配電室低壓母線側(cè)并聯(lián)無源動態(tài)調(diào)諧濾波器的治理方案，綜合治理諧波，降低低壓側(cè)電流有效值。針對表1 車間監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用DTXB-A/B型無源動態(tài)調(diào)諧濾波器。對該廠2-3 號低壓配電室（601 號）低壓進線側(cè)進行諧波治理，濾波器并聯(lián)安裝在電容器補償柜之后的交流母排上，設(shè)備通過現(xiàn)場安裝調(diào)試，諧波治理效果如圖5 所示。諧波治理前后數(shù)據(jù)對比效果如表2 所示。

圖5 601 號變壓器諧波治理后低壓母線電流值

表2 601 號變壓器低壓進線側(cè)（A 相）諧波治理前后效果對比

由表2 可以看出，在諧波動態(tài)治理裝置投入運行后，可使低壓母線側(cè)5 次諧波電流值平均下降62.4%，低壓母線側(cè)電流有效值降低5.1%。5次諧波電流畸變率由13.1%降低至5.1/%，滿足國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。電流有效值的減少，就意味著電能消耗的減少，設(shè)備發(fā)熱現(xiàn)象大大減輕，設(shè)備誤動作和無故停電事故減少，電機、變壓器等設(shè)備振動與噪聲降低，電容器發(fā)熱降低。紡織車間進行諧波治理，在改善電網(wǎng)運行質(zhì)量，減少事故，提高紡織設(shè)備利用率的同時，可實現(xiàn)企業(yè)綜合節(jié)約電能5%的效果。

4 結(jié)束語

紡織車間由于大量使用變頻器，會產(chǎn)生嚴(yán)重的電力諧波，諧波的存在會導(dǎo)致動力設(shè)備運行狀態(tài)惡化，自動控制系統(tǒng)失靈、繼電保護與電子檢測設(shè)備誤動作，造成供電系統(tǒng)安全性下降，設(shè)備無故停車和誤操作，生產(chǎn)效率下降。紡織車間諧波治理主要以減少諧波電壓電流畸變率、降低有效電流值、實現(xiàn)節(jié)能為目標(biāo)，宜采用動態(tài)調(diào)諧無源濾波器進行治理?？筛鶕?jù)車間的電力諧波影響情況，采用車間動力柜就地治理或低壓配電室進線側(cè)綜合治理的方案。實例證明，紡織車間采用無源動態(tài)調(diào)諧濾波器進行諧波治理，在改善電網(wǎng)質(zhì)量，減少事故，提高設(shè)備生產(chǎn)效率的同時，吸收諧波電流60%以上，降低有效電流值5.1%，實現(xiàn)了企業(yè)綜合節(jié)能5%的效果。