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图7 功率因数,滤波器停止、运行对比图
配电系统示意图
在监控期间，滤波器运行、停止对比表（前16个谐波）：
1、引言
近年来，我国卷烟企业大量地采用了硅整流及可控硅设备。这导致供配电质量的严重降低。最为严重的是由这些设备所产生的多次谐波与供配电网络中的系统容抗与系统阻抗在一定参数条件下形成串联或并联谐振，而导致系统中某些设备的损毁事故。谐波对卷烟企业供配电系统的危害已引起人们的重视，抑制谐波，提高供配电电能质量已刻不容缓。
6、BESTSINE有源滤器在上海卷烟厂的应用实例
6.1 简介
上海卷烟厂系国有大型卷烟生产企业，税利过百亿，是全国卷烟企业的龙头企业。伴随着经济效益的增长，卷烟生产的设备、技术也达也到了当今国际先进水平。大量的现代化设备的应用除在提高生产效率、节约人力成本、节能等方面有突出的表现外，其特有的工艺特点使其产生了大量的谐波。受谐波“污染”的供配电网遗留了较为严重的安全隐患，如，变压器过热、中性线过载、设备异常跳闸、自控系统紊乱、电脑设备死机等。
针对上述现象，我们对卷烟厂的一台变频空压机进行谐波治理，该空压机为ATLAS公司的ZR315 VSD型空压机，变速驱动部分采用的是SIEMENS公司生产的SIMOVERT MASTERDRIVES Vector Control矢量控制三相交流传动系统电压源型变频器产品，变频器功率为350KW。该变频器是具有IGBT逆变器、全数字技术的有电压中间回路的变频器。变频器是常见的非线性负载 之一，其产生谐波的机理为：变频器的主电路一般为交一直一交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波。在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2～3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波。
上海卷烟厂6#空压机采用SIEMENS变频器进行控制以达到调速和节能的目的，由于变频器特殊的工作特性使其在运行过程中产生大量的谐波并对整个供电网产生了污染，并对供电网中运行的其它设备以及空压机自身的稳定运行都产生了影响。通过对变频空压机设备所处配电网认真分析和详尽的谐波情况测试后，经过对滤波产品的多次论证，我们选用了BESTSINE有源滤波器进行尝试性谐滤改善，从运行情况来看，效果是明显的。总结了一些变频器谐波治理的实例经验。
1、计算真正的有效值测量
电能记录仪在每个周波（128个采样点）使用以下公式计算电压有效值和电流有效值。
4、谐波的危害
目前由于产生谐波的装置量大面广，谐波使卷烟企业的生产面临严重的干扰与破坏，谐波对卷烟企业供配电的危害主要表现在以下几个方面：
4.1 电力变压器、电力线路，电流谐波将增加铜损，电压谐波将增加铁损，综合效果是使变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减小。谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振，及引起铁心磁通饱和或歪斜，而产生噪声。因此，谐波的泛滥将会严重地威胁工矿企业的供配电系统安全、可靠、稳定的运行。
4.2 电动机：输出谐波对电动机的影响主要有，引起电动机附加发热，导致电动机的额外温升，电动机往往要降额使用，由于输出波形失真，增加电动机的重复峰值电压，影响电动机的绝缘，谐波还会引起电动机转矩脉动，以及噪声增加。
4.3 电力电容器组：一般电容器的标准规范，规定其最大电流只允许35%的超载，但实际运转时，由于谐波的影响，以致常发生严重过载。由于电容器之阻抗，随频率的增加而减少，故谐波产生时，电容器即成为一陷流点，流入大量电流，因而导致过热、增加介电质的应力，甚至损坏电力电容器。当电容器与线路阻抗达到共振条件时，会发生振动短路、过电流及产生噪声。
4.4 开关设备：由于谐波电流的存在，开关设备在起动瞬间产生很高di/dt的电流变化率，致使增加暂态恢复电压的峰值，以致破坏绝缘。
4.5 保护电器：电流中含有谐波，必产生额外的转矩，改变电器的动作特性，以致引起误动作。
4.6 计量仪表：电能表等计量仪表，因谐波而会造成感应转盘产生额外的电磁转矩，引起误差，降低精确度。
4.7 电力电子设备：在多种场合，电子设备常会产生谐波的电流源，且很容易感受谐波失真而误动作。
4.8 其它还有如照明设备、通信设备、电视及音响设备、电脑设备、载频遥控设备等都容易受谐波的干扰而影响其正常的工作或减少其使用寿命。
空压机运行,滤波器停止 空压机运行,滤波器运行
注:从对比图中可以看出功率因数在滤波器运行前后有较明显的提升
2、测试数据及分析
图4 电流谐波频谱对比图
图3 电压谐波频谱对比图
6.2 测量记录
7、结论
本文从谐波的概念、产生、传输以及其对卷烟企业配电系统中的设备所造成影响入手，并针对目前抑制谐波的一些方法做了较为详细的阐述，结合上海卷烟厂空压机应用有源滤波器后的效果，旨在唤起人们对谐波以及其所造成的危害的重视。
有源滤波器运行后所产生的滤波效果基本达到了减少谐波含量的一个基本要求。对烟草行业的高附加值的专业设备得到有效保护，对烟草行业中在供配电质量改善上有着推广的价值和意义。
注:在滤波器运行后,电流(RMS)有明显的下降
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5、抑制谐波干扰的措施
注:总谐波电流畸变率(ITHD)在滤波器运行后产生了一个较明显的下降 |
图5 总谐波电压(VTHD)和总谐波电流（ITHD）,滤波器停止、运行对比图
注:总谐波电压畸变率(VTHD)在滤波器运行后产生了较明显的下降
6.3 测试分析
在临测期间，滤波器停止时，5次谐波电压8.964（V），5次谐波电流159.8（A），总谐波电压畸变率（VTHD）为5.036%，总谐波电流畸变率（ITHD）为39.372%，功率因数0.89；滤波器运行时，5次谐波电压6.259（V），5次谐波电流76.15（A），总谐波电压畸变率（VTHD）为4.178%，总谐波电流畸变率（ITHD）为22.067%，功率因数0.96；
近年来，由于调速和节能的需要，越来越多的场合用到了变频调速技术。由于变频器中要进行大功率二极管整流、大功率晶体管逆变，结果在输入输出回路产生谐波，干扰供电系统、负载及其它邻近电气设备，在实际使用过程中，经常遇到变频器谐波干扰问题。上海卷烟厂6#空压机Atlas ZR315 VSD的变频器部分是SIEMENS公司生产的SIMOVERT MASTERDRIVES Vector Control矢量控制三相交流传动系统电压源型变频器产品。该变频器输入侧的整流单元主要部分是一个6脉动整流桥，在三相桥式整流回路中，输入电流的波形为矩形波，波形按傅立叶级数分解为基本和各次谐波，通常含有6n±1（n=1，2，3…）次谐波。所以6#空压机产生的谐波以5、7次谐波为主。在该变频器的输出侧的逆变输出回路中，输出电压和电流均有谐波。对于PWM控制的变频器，只要是电压型变频器，不管是何种PWM控制，其输出电压波形为矩形波。其中谐波频率的高低是与变频器的调制频率有关，随着调制频率的不同而产生不同频率的高次谐波。
从上面量测数据可以看出来，变频空压机在安装了有源滤波器后，在电能质量改善方面产生了较为明显的效果：总谐波电压畸变率（VTHD）下降了17%，总谐波电流畸变率（ITHD）下降了44%；其中5次谐 波电压下降了16%，5次谐波电流下降了52%；电流（RMS）下降了12%；功率因数、电压有效值得到了提高；变压器和电力电缆由于谐波的存在而导致的温升、变压器噪声、电子设备的故障率、开关和继电保护的非正常跳闸都得到了一定的改善。
图1 电压波形对比图
空压机运行,滤波器停止 空压机运行,滤波器运行
3、谐波源
谐波通常是由非线性供用电设备所产生的，如变压器、整流器、变流器等。这些设备在吸收基本功率的同时，也产生谐波电流及谐波功率。对于卷烟企业最常见的谐波源为：
3.1 变压器产生谐波
变压器的非线性是因铁芯材料具有非线性磁化曲线引起的。变压器的铁芯磁化曲线除了一般线性区以外，还有饱和区、死区和滞后区这3类典型的非线性区，它以原点对称，在正弦波作用下，励磁电流为对称奇函数。而对三相对称的变压器来说，其3次的奇数倍（即3次、9次、15次、21次…）谐波均为零序，会受到变压器接线方式的影响。故可以认为变压器是1种只产生奇次谐波的电流源型的谐波源。它的谐波次数还受其一、二次侧接线方式（△或Y）的影响，大小则与磁路的结构形式，铁芯的饱和程度等有关。铁芯的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性工作区越远，产生的谐波电流就越大。
3.2 变流器设备产生谐波
由于生产与科技的发展，卷烟企业经常大量使用整流和变频等交流设备，目前的电气设备都采用开关型电源，其电源侧即是大功率整流电路，其输出侧为了使负载得到更好的控制与运行特性，则使用变压与变频电路。此类设备所产生的谐波既有电流源型的，也有电压源型的。因此，其谐波分量也仅有奇次谐波，有资料显示，此类设备所产生的谐波分量有时可高达基波分量的30%。由于变流设备功率大（30kW—20000kW）、数量多，因此，它对卷烟企业的供配电系统的影响也就极大。
3.3 计算机及其他办公设备产生谐波
随着社会的发展，科技的进步，工厂自动化程度越来越高，计算机及其他现代化办公设备得以广泛应用，而这些设备的电源基本上都是开关电源，因此都会产生谐波并且对电网的谐波干扰十分严重。
注:在滤波器运行后,电压(RMS)得到提高
2、谐波的基波概念
供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics）或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般为2≤n≤40。
这里的Vrms和Irms是被采样电压和电流的有效数值。
·总谐波失真（THD）
电能记录仪使用如下公式一周波一周波地计算电压和电流的总谐波失真度（THD）。这里的Vn和An分别是各次谐波电压和谐波电流：
图6 电压(RMS)和电流(RMS),滤波器停止、运行对比图
图2 电流波形对比图
