淺談有源濾波器在汽車行業(yè)中的應(yīng)用及選型

王蘭

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：簡述汽車行業(yè)的諧波治理需求，分析汽車行業(yè)中典型諧波源點焊機(jī)的工作特性和諧波特性，介紹諧波治理對車企的作用，總結(jié)諧波治理和有源濾波器的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：汽車行業(yè)；電能質(zhì)量；諧波治理；有源濾波器；點焊機(jī)；諧波電流；諧波電壓；電力電子器件

0引言

近20年來，我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長，汽車為人們的交通出行帶來了很大便利，電力電子器件大量使用于汽車制造行業(yè)，對工廠配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量提出了愈來愈高的要求。

1汽車行業(yè)的諧波治理需求

1.1諧波的影響

在理想供配電系統(tǒng)中，電源是頻率為50Hz(工頻)的正弦波，僅存在相位和幅值的差異，頻率一致，電機(jī)、電力電子器件、變頻器等非線性設(shè)備的應(yīng)用產(chǎn)生了諧波，頻率為工頻的整數(shù)倍(也有工頻非整數(shù)倍的分量為間隙波)，使電壓和電流的波形發(fā)生畸變，由標(biāo)準(zhǔn)正弦波變?yōu)榉钦也ā?/p>

汽車制造業(yè)在生產(chǎn)中大量采用了諸如電焊機(jī)、沖壓機(jī)、切割機(jī)、起重機(jī)、變頻器等沖擊性、非線性負(fù)荷，這種沖擊性負(fù)荷的諧波問題，其變化速度快，幅度大，非常難處理，會對企業(yè)的生產(chǎn)工作和設(shè)備使用帶來非常大的影響和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

良品率作為產(chǎn)品質(zhì)量的考量標(biāo)準(zhǔn)，對于汽車產(chǎn)品更是重中之重，若出現(xiàn)不合格產(chǎn)品則需返工甚至報廢，出現(xiàn)脫焊、未焊透等焊接質(zhì)量問題導(dǎo)致返修，大大增加企業(yè)成本。

電容器和電抗器作為無功補(bǔ)償主要元器件，在電力系統(tǒng)中更是扮演著重要的角色，但是其電氣特性導(dǎo)致其極易受到諧波影響產(chǎn)生共振，從而導(dǎo)致電容器和電抗器異常發(fā)熱甚至燒毀，此類故障案例數(shù)不勝數(shù)不光維修更換費用昂貴，電容器故障還會導(dǎo)致整條線路癱瘓，造成的二次經(jīng)濟(jì)損失不可估量。

現(xiàn)場配電系統(tǒng)使用自動投切補(bǔ)償裝置，其核心部件為可控硅，使用壽命長，但作為靈敏度自動化設(shè)備，對任何細(xì)微的變化都極為敏感，其反應(yīng)速度快、動作頻率高的特性的優(yōu)點在面對諧波時反而成為缺點。大量的諧波導(dǎo)致可控硅頻繁動作，投切頻率遠(yuǎn)高于正常使用頻率，使原本預(yù)計的使用壽命大大下降，產(chǎn)品優(yōu)秀的耐受性顯得毫無意義從而加大企業(yè)在此方面的維護(hù)成本。

1.2諧波治理的作用

不同種類的諧波造成的危害不盡相同(如:3次諧波加在中性線可能造成中性線嚴(yán)重過負(fù)荷)，高次諧波則極易和電容器產(chǎn)生共振，能毀電容器。

通過有源濾波器進(jìn)行諧波治理，可以消除電網(wǎng)中存在的諧波，保護(hù)車間內(nèi)的沖壓設(shè)備。電焊設(shè)備等不再受到諧波危害。在純凈的用電環(huán)境下設(shè)備的工作穩(wěn)定性將大大提升，解決因諧波影響而產(chǎn)生的脫焊、未焊透等問題。

2點焊機(jī)的工作特性和諧波治理

2.1點焊機(jī)的工作特性

在汽車行業(yè)的焊接工藝中，點焊由于其焊接特性優(yōu)良和便于機(jī)械自動化得到了普遍的應(yīng)用，有可移動式獨立焊機(jī)也有固定式焊接生產(chǎn)線、焊接機(jī)器人等，電焊機(jī)起弧時輸人電流間加大至滿負(fù)荷，電弧想滅后輸人電流降至接近于零，并且負(fù)載在零至滿負(fù)載之間快速、反復(fù)變化。由于逆變焊機(jī)中二極管整流電路的存在，因此其輸人電流中含有大量諧波成分，諧波電流的產(chǎn)生和消失在幾個周波內(nèi)完成，計量時間達(dá)到毫秒級，不但輸人電流幅值是變化的，諧波電流總畸變南也是變化的，情況更加復(fù)雜。

2.2點焊機(jī)的諧波分析

焊接車間低壓供電的配電情況較為復(fù)雜，主要包含多種大型點焊設(shè)備和沖壓設(shè)備等。筆者選用了一臺經(jīng)常出現(xiàn)母焊的焊機(jī)進(jìn)行測試，了解該焊機(jī)在啟動運行過程中的諧波大小和分布情況。點焊機(jī)啟動后的工作電流如圖1所示。

圖1點焊機(jī)啟動后的工作電流

從圖1中可以看出，電流波形畸變嚴(yán)重，特別是啟動時A相電流波形出現(xiàn)長時平谷，B相電流波形出現(xiàn)多個波峰。

圖2為焊機(jī)電流波形圖(虛線為標(biāo)準(zhǔn)正強(qiáng)波電流應(yīng)在用電開始后5ms時達(dá)到電流峰值，在10mms時歸0，在15ms時達(dá)到反向峰值，在20s時再次歸0，構(gòu)成一個完整的周波，在一個周波的用電時間內(nèi)，電流波形應(yīng)該過渡平滑。可以看出，焊機(jī)實際波形比標(biāo)準(zhǔn)正強(qiáng)波形更早出現(xiàn)了波峰，在5ms峰階段，焊機(jī)波形此時已經(jīng)處于回落狀態(tài)，并出現(xiàn)了長時間的平谷，此時電流值為0。通過對比不難看出，焊機(jī)的電流波形已經(jīng)不是正弦波形，負(fù)載電流中含有大量的諧波電流，導(dǎo)致焊機(jī)電流波形畸變嚴(yán)重，會對電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。

圖2焊機(jī)電流波形圖分析

圖3分別為A相的諧波電流柱狀圖和諧波電壓柱狀圖，從柱狀圖中可以看出諧波主要由3次諧波構(gòu)成，5、7、9次諧波比較小，電壓也有一定的諧波含量，2次、3次、5次諧波電壓較多。

圖3A相諧波電流和諧波電壓柱狀圖

2.3點焊機(jī)的諧波治理

針對點焊機(jī)的工作特性，需要選擇具備快速響應(yīng)能力的濾波裝置進(jìn)行諧波治理，而有源濾波器通過大功率電力電子器件的高頻開關(guān)(IGBT)來實現(xiàn)諧波治理，并具備沖擊性負(fù)荷的無功補(bǔ)償功能，能夠發(fā)揮重要作用。

圖4投入有源濾波器的焊機(jī)電流波形圖

圖5A相治理后的諧波電流和諧波電壓柱狀圖

圖4為投入有源濾波器的焊機(jī)電流波形圖，可以看出，經(jīng)有源濾波器補(bǔ)償后的焊機(jī)波形已經(jīng)比較接近正弦波形，且波峰和0值過渡較為平滑，沒有出現(xiàn)補(bǔ)償前的波形畸變情況，說明諧波電流已基本消除完畢。

圖5分別為A相治理后的諧波電流柱狀圖和諧波電壓柱狀圖，從諧波電流柱狀圖可以明顯觀察出3次諧波基本被消除，其他各次諧波也有一定降低，電壓中的諧波含量也有一定程度的降低，特別是補(bǔ)償前較多的2次和3次諧波電壓。

從補(bǔ)償結(jié)果可以看出，有源濾波器可以適應(yīng)焊接車間內(nèi)的工作環(huán)境，即使是面對瞬間產(chǎn)生和消失的諧波電流也能正常捕捉并進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償效果十分理想，基本消除焊機(jī)產(chǎn)生的諧波電流，同時對諧波電壓也有較強(qiáng)的抑制作用。

3安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

3.1產(chǎn)品特點

(1)DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時間短，全數(shù)字控制算法，運行穩(wěn)定；

(2)一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無功，可對2～51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償；

(3)具有完善的橋臂過流保護(hù)、直流過壓保護(hù)、裝置過溫保護(hù)功能；

(4)模塊化設(shè)計，體積小，安裝便利，方便擴(kuò)容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，使用方便，易于操作和維護(hù)；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統(tǒng)的影響；

(7)多機(jī)并聯(lián)，達(dá)到較高的電流輸出等級；

3.2型號說明

3.3尺寸說明

3.4產(chǎn)品實物展示

ANAPF有源濾波器

4安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型

4.1產(chǎn)品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應(yīng)用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補(bǔ)償設(shè)備。它由智能測控單元，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護(hù)單元，兩臺共補(bǔ)或一臺分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成。可替代常規(guī)由熔絲、復(fù)合開關(guān)或機(jī)械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導(dǎo)線連接而組成的自動無功補(bǔ)償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護(hù)方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/p>

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，自動尋找適宜投入（切除）點，實現(xiàn)過零投切，具有過壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過諧保護(hù)、過溫保護(hù)等保護(hù)功能。

4.2型號說明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

4.3產(chǎn)品實物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補(bǔ)償裝置智能電容方案

5結(jié)語

目前，我國汽車保有量持續(xù)快速上漲，汽車制造業(yè)新建、擴(kuò)建、改建項目源源不斷，新技術(shù)、新產(chǎn)線、新設(shè)備持續(xù)投入使用，配電網(wǎng)中非線性負(fù)荷的比例還在不停增加，諧波理的需求非常大。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和材料成本的下降，有源濾波器的成本也會隨之下降，采用有源濾波器進(jìn)行諧波治理會成為愈來愈多車企的選擇，能夠靈活配置、快速響應(yīng)的有源濾波器，將會在諧波治理這一領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

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