看有源滤波器如何治理剧场中的谐波

返回列表来源：领步电能质量发布时间：2018-02-28分享加入收藏关注：-

          剧场电气系统中，由于大量非线性负荷的应用，谐波污染问题较为严重。剧场电气设备中，舞台调光装置是主要谐波源。由于可控硅调光设备在工作时产生的谐波量及谐波频谱随导通角变化而改变，传统的LC无源滤波装置不能有效治理。有源电力滤波装置具有动态补偿的特性，可以弥补这些不足。
          一般情况下，电力供应应该提供具有正弦波形的电压。但实际上，供电电压的波形往往由于某些原因而畸变为不同程度的非正弦波形，即产生谐波，供电系统中的谐波是指一些频率为基波频率(在我国取工频50 Hz ) 整数倍的正弦波分量。在供电系统中，产生谐波的根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备(又称为非线性负荷)供电。这些非线性负荷在工作时向电源注入高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变， 使电能质量变差。因此，谐波是衡量电能质量的重要指标之一。
          用建筑电气设备中存在着众多的非线性阻抗特性的谐波源负荷， 如： 荧光灯、气体放电灯、计算机、UPS、电子调速装置、软启动设备等。剧场电气设备中也存在大量的谐波源， 尤其是舞台灯光的可控硅调光装置引起的电流波形畸变， 使谐波问题尤为严重。为保证剧场供电系统中所有的电气、电子设备正常、和谐的工作， 必须采取有效的措施， 抑制并防止电网中因谐波危害所造成的严重后果。 

一、剧场中电气谐波特性及谐波危害
1、剧场电气谐波主要特性
          剧场非线性负荷包括舞台调光设备、带电子镇器的荧光灯、变频空调等。根据剧场非线性负荷的容量及占用系统电源的比例，舞台调光设备属于剧场电气主要的非线性负荷。这些调光设备造成的谐波污染不仅影响剧场配电系统电能质量，还可能造成系统其它用电设备故障。因此在电气设计阶段应该着重考虑谐波的影响并采取合理的治理措施。

          舞台灯光用的各种调光器实质上就是一个单相的相位控制交流调压器。舞台调光技术在经历了电阻型调光、变压器式调光、磁放大器型调光阶段后，发展为现在的用可控硅调光和计算机控制的现代化调光设备。可控硅调光器是目前舞台上的主流调光器。

          正弦交流电压过零后的某一时刻t1 (或某一相位角ωt 1)， 在可控硅的门极上加一触发脉冲，使可控硅导通，这一导通将维持到正弦波正半周结束。因此在正弦波的正半周(即0 ～ p 区间)， 0 ～ ωt 1范围可控硅不导通，这一范围称为控制角; 而在ωt 1 ～ p 间可控硅导通， 这一范围称为导通角。同理在正弦交流电压的负半周，对处于反向联接的另一个可控硅(对两个单向可控硅反并联而言) 在t2时刻(即相位角ωt 2 ) 施加触发脉冲，使其导通。如此周而复始，对正弦波的每一半周期控制其导通，获得相同的导通角。如改变触发脉冲的施加时间(或相位)，即改变了导通角(或控制角) 的大小。导通角越大调光器输出的电压越高，灯就越亮。
          由以上分析可知，可控硅调光设备吸收的不再是正弦电流，因此会造成调光设备的输入电流畸变为周期性的非正弦电流波形。对该周期性非正弦电流进行傅里叶级数分解，可得出电流中除含有与电源相同频率的基波成分外，还含有一系列频率为电源频率奇数倍的高次谐波电流。这些高次谐波通过导线传导到其它负荷，同时由于系统中谐波阻抗的存在，这些高次谐波电流还会引起电源电压波形畸变。

2、剧场谐波危害
          电源电压波形畸变造成电网谐波污染，使电力系统的发、输、配电设备出现许多异常现象和故障。谐波的危害是多方面的，就剧场电气系统而言，主要有一下几方面。
谐波对配电线路的危害
          三相四线配电线路中，相线上3 的整数倍次谐波(零序谐波) 在中性线上会叠加， 使中性线的电流值可能超过相线上的电流值。由于中性线电流过大， 使配电系统中性线出现过负荷， 从而引起绝缘老化加速， 增加了火灾隐患。
谐波对电力设备的危害
          当电网存在谐波时，入电力电容器后其端电压增大。通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加，加速绝缘介质老化。在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。尤其是电容器投入到电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波放大现象。
          谐波使电力变压器的铜耗增大，包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，主要表现在铁芯中的磁滞损耗增加。由于以上两方面的损耗增加，降低了变压器的设备利用率。因此设计阶段在选择变压器额定容量时需要考虑电网中的谐波含量， 适当放大变压器容量。

三、剧场谐波治理措施
1、对剧场进行改造
          目前，国内有采用提高变压器质量及容量、增大电缆截面积(特别是加大中性线电缆截面积)、选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件的方法减小谐波的影响，这些方法并不能从根本上消除谐波， 反而降低了保护特性与功能， 加大了投资成本，增加了供电系统隐患。
          为有效抑制谐波，在剧场电气设计中，可采用的方法主要有：合理设计配电线路、适当的变压器接线方式、合理布线、装设滤波装置等。
2、加装有源滤波器
          有源电力滤波装置的基本原理是从电网中检测出谐波电流，经内部芯片快速计算、分析、比较，控制主功率单元产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波成分。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。该有源电力谐波滤波装置, 引进美国 TMS320F2812 芯片，根据Z新的瞬时无功功率理论，应用数字信号处理技术（DSP），脉宽调制技术（PWM），智能化功率单元技术（IPM），触摸屏技术（GP）等前沿科技，可实现动态消除谐波，平衡三相负荷，是一种高技术含量，滤波效率Z理想谐波治理和无功补偿产品。

有源滤滤波器的选型
          刚刚提到过剧场内的接线方式为三相四线，那么有源滤波器的选型， 自然也就是三相四线的接线方式。
有源滤波器的容量确定
          有源滤波器工作原理是：通过电流互感器检测到的电流信号，进行谐波分离计算，滤波器产生一个与谐波电流幅值相等、相位相反的电流，注人到系统线路中，以抵消系统中的谐波电流。有源滤波器可同时滤除多次谐波，只要滤波器的容量(滤波额定输出电流)足够大，滤波器可以动态自适应，可从2次谐波到50次谐波中选择特定滤波次数，选择滤波优先次序。因此有源滤波器是根据滤波器滤波额定输出电流来选择的。 

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