抑制諧波方案.doc

地鐵BAS抑制諧波方案4.諧波干擾4.1有關諧波干擾的問題BAS系統(tǒng)設備是否對電網有諧波干擾？如何解決？4.2有關諧波干擾問題的答復地鐵BAS系統(tǒng)對電網有諧波干擾，解決方案如下論述：4.2.1諧波的產生電網諧波來自于3個方面：一是發(fā)電源質量不高產生諧波；二是輸配電系統(tǒng)產生諧波；三是用電設備產生的諧波。其中用電設備產生的諧波最多。發(fā)電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因，發(fā)電源多少也會產生一些諧波，但一般來說很少。輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設計變壓器時考慮經濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達額定電流的0.5%。在用電設備中，下面一些設備都能產生諧波。晶閘管整流設備。由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的應用，給電網造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網吸收的是缺角的正弦波，從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波，從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負載時則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達基波的30%；接容性負載時則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流；如果是12脈沖整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。經統(tǒng)計表明：由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。變頻裝置。變頻裝置常用于風機、水泵、電梯等設備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復雜，除含有整數次諧波外，還含有分數次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調速的發(fā)展，對電網造成的諧波也越來越多。電弧爐、電石爐。由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負荷不平衡，產生諧波電流，經變壓器的三角形連接線圈而注入電網。其中主要是2 7次的諧波，平均可達基波的8% 20%，最大可達45%。氣體放電類電光源。熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分析與測量這類電光源的伏安特性，可知其非線性十分嚴重，有的還含有負的伏安特性，它們會給電網造成奇次諧波電流。家用電器。電視機、錄像機、計算機、調光燈具、調溫炊具等，因具有調壓整流裝置，會產生較深的奇次諧波。在洗衣機、電風扇、空調器等有繞組的設備中，因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小，但數量巨大，也是諧波的主要來源之一。4.2.2諧波的危害電網諧波造成電網污染，正弦電壓波形畸變，使電力系統(tǒng)的發(fā)供用電設備出現許多異?，F象和故障，情況日趨嚴重。電力系統(tǒng)中諧波的危害是多方面的，概括起來有以下幾個方面： 1. 對供配電線路的危害影響線路的穩(wěn)定運行供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器一般采用電磁式繼電器、感應式繼電器或晶體管繼電器予以檢測保護，使得在故障情況下保證線路與設備的安全。但由于電磁式繼電器與感應式繼電器對10%以下含量高達40%時又導致繼電保護誤動作，因而在諧波影響下不能全面有效地起到保護作用。晶體管繼電器雖然具有許多優(yōu)點，但由于采用了整流取樣電路，容易受諧波影響，產生誤動或拒動。這樣，諧波將嚴重威脅供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運行。影響電網的質量電力系統(tǒng)中的諧波能使電網的電壓與電流波形發(fā)生畸變。如民用配電系統(tǒng)中的中性線，由于熒光燈、調光燈、計算機等負載，會產生大量的奇次諧波，其中3次諧波的含量較多，可達40%；三相配電線路中，相線上的3的整數倍諧波在中性線上會疊加，使中性線的電流值可能超過相線上的電流。另外，相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產生同次諧波的有功功率與無功功率，從而降低電網電壓，浪費電網的容量。 2. 對電力設備的危害對電力電容器的危害當電網存在諧波時，投入電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流增加得更大，使電容器損耗功率增加。對于膜紙復合介質電容器，雖然允許有諧波時的損耗功率為無諧波時損耗功率的1.38倍;對于全膜電容器允許有諧波時的損耗功率為無諧波時的1.43倍，但如果諧波含量較高，超出電容器允許條件，就會使電容器過電流和過負荷，損耗功率超過上述值，使電容器異常發(fā)熱，在電場和溫度的作用下絕緣介質會加速老化。尤其是電容器投入在電壓已經畸變的電網中時，還可能使電網的諧波加劇，即產生諧波擴大現象。另外，諧波的存在往往使電壓呈現尖頂波形，尖頂電壓波易在介質中誘發(fā)局部放電，且由于電壓變化率大，局部放電強度大，對絕緣介質更能起到加速老化的作用，從而縮短電容器的使用壽命。一般來說，電壓每升高10%，電容器的壽命就要縮短1/2左右。再者，在諧波嚴重的情況下，還會使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。對電力變壓器的危害諧波使變壓器的銅耗增大，其中包括電阻損耗、導體中的渦流損耗與導體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大，這主要表現在鐵心中的磁滯損耗增加，諧波使電壓的波形變得越差，則磁滯損耗越大。同時由于以上兩方面的損耗增加，因此要減少變壓器的實際使用容量，或者說在選擇變壓器額定容量時需要考慮留出電網中的諧波含量。除此之外，諧波還導致變壓器噪聲增大，變壓器的振動噪聲主要是由于鐵心的磁致伸縮引起的，隨著諧波次數的增加，振動頻率在1KHZ左右的成分使混雜噪聲增加，有時還發(fā)出金屬聲。對電力電纜的危害由于諧波次數高頻率上升，再加之電纜導體截面積越大趨膚效應越明顯，從而導致導體的交流電阻增大，使得電纜的允許通過電流減小。另外，電纜的電阻、系統(tǒng)母線側及線路感抗與系統(tǒng)串聯，提高功率因數用的電容器及線路的容抗與系統(tǒng)并聯，在一定數值的電感與電容下可能發(fā)生諧振。 3.對用電設備的危害 對電動機的危害 諧波對異步電動機的影響，主要是增加電動機的附加損耗，降低效率，嚴重時使電動機過熱。尤其是負序諧波在電動機中產生負序旋轉磁場，形成與電動機旋轉方向相反的轉矩，起制動作用，從而減少電動機的出力。另外電動機中的諧波電流，當頻率接近某零件的固有頻率時還會使電動機產生機械振動，發(fā)出很大的噪聲。對低壓開關設備的危害對于配電用斷路器來說，全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發(fā)熱，同時由于對電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難，且諧波次數越高影響越大；熱磁型的斷路器，由于導體的集膚次應與鐵耗增加而引起發(fā)熱，使得額定電流降低與脫扣電流降低；電子型的斷路器，諧波也要使其額定電流降低，尤其是檢測峰值的電子斷路器，額定電流降低得更多。由此可知，上述三種配電斷路器都可能因諧波產生誤動作。對于漏電斷路器來說，由于諧波匯漏電流的作用，可能使斷路器異常發(fā)熱，出現誤動作或不動作。對于電磁接角器來說，諧波電流使磁體部件溫升增大，影響接點，線圈溫度升高使額定電流降低。對于熱繼電器來說，因受諧波電流的影響也要使額定電流降低。在工作中它們都有可能造成誤動作。 對弱電系統(tǒng)設備的干擾對于計算機網絡、通信、有線電視、報警與樓宇自動化等弱電設備，電力系統(tǒng)中的諧波通過電磁感應、靜電感應與傳導方式耦合到這些系統(tǒng)中，產生干擾。其中電感應與靜電感應的耦合強度與干擾頻率成正比，傳導則通過公共接地耦合，有大量不平衡電流流入接地極，從而干擾弱電系統(tǒng)。影響電力測量的準確性 目前采用的電力測量儀表中有磁電型和感應型，它們受諧波的影響較大。特別是電能表（多采用感應型），當諧波較大時將產生計量混亂，測量不準確。 諧波對人體有影響 從人體生理學來說，人體細胞在受到刺激興奮時，會在細胞膜靜息電位基礎上發(fā)生快速電波動或可逆翻轉，其頻率如果與諧波頻率相接近，電網諧波的電磁輻射就會直接影響人的腦磁場與心磁場。4.2.3抑制諧波的解決方案針對地鐵BAS系統(tǒng)，最嚴重的諧波源就是變頻器，其產生和危害性在4.2.1和4.2.2中已經作了詳細的介紹，下面以變頻器為例重點論述應對措施。一如何正確處理變頻器與周邊設備的關系1. 變頻器本身對外界的無線電干擾通過以下措施減輕如圖4-1所示,在變頻器的輸入、輸出側加裝FIL1和FIL2無線電干擾抑制電抗器。這一類電抗器屬于共模抑制電抗器，或稱零序電抗器，它對被穿過磁芯的幾根導線上出現的瞬時相位和幅值不能抵消的干擾有抑制作用，而對被穿過磁芯的幾根導線瞬時相加電磁場可完全抵消的干擾就不能抑制，也即對三相正弦波電流不起作用。就無線干擾而言，共模干擾占大多數，所以共模抑制電抗器經常對無線電干擾抑制有效。圖4-1 為降低無線電干擾在輸出和輸入功率線上加裝FIL1和FIL2磁環(huán)形成電抗器對共模干擾進行抑制變頻器的輸入、輸出功率電線的布局要防止對周邊設備的控制線有電磁場耦合，即要防止這些功率電線與某條控制線平行捆扎在一起或過分靠近，如圖4-2所示。圖4-2 變頻器的控制線與功率輸出線及電源進線過分靠近或捆綁在一起的不良安裝數字式測量儀器儀表的輸入阻抗高、頻率響應好，很容易敏感變頻器本體和輸入輸出線所發(fā)射出來的無線電干擾，造成數字式測量儀器儀表顯示亂跳或完全不能測量。因此要求數字式測量儀器儀表遠離變頻器及變頻器的輸入輸出線。如遠離不可能，應對數字式儀器儀表的本體、測量線進行屏蔽。屏蔽線的外套金屬網不能兩端接地，只能一端接地，接地端設在數字式儀器儀表側，由此形成靜電屏蔽如圖4-3所示，另外一種使用雙絞線作為數字式儀器儀表的輸入線，每絞間距不得大于1cm。干擾嚴重時可以綜合采用多種措施:雙絞線+屏蔽套、屏蔽箱、拉開距離、變頻器輸入輸出線加磁環(huán)、加電抗器等。 圖4-3 對數字式儀器或其他敏感儀器的抗干擾處理方法2.外界干擾妨礙變頻器正常運行時的對策由電網引入的干擾和過電壓(a)變壓器原邊電網因各類用電器切換、雷電等所引起的過電壓及干擾會通過變壓器分布電容和繞阻耦合傳遞到變壓器付邊、使付邊電線上出現過電壓及干擾。(b) 與變頻器同一付邊電源線上有大功率的負載切換，特別是功率因數補償柜之類的容性負載切換，會在電源線上引起過電壓，這種過電壓的大小與切換電流的大小、突變速率和電網導線電感值有關。例如:如圖4-4所示的負載N經由斷路器KM2突然斷開時，因電網導線電感(La、Lb、Lc)的存在，會在接往變頻器的導線上產生過電壓或干擾圖4-4 過電壓和干擾傳輸途徑及為減弱過電壓和干擾所附加的各種措施及元件(c) 在變頻器同一電源上接有強干擾負載或晶閘管器件，會造成電網電流嚴重畸變，引起在正弦波電壓上疊加尖峰過電壓和干擾。由周邊電器的無線電干擾引起變頻器不能正常工作。變頻器本身如果是全金屬外殼就有良好的屏蔽輻射干擾的作用，如果是塑料外殼，變頻器設計中又沒有很好的抗干擾措施，此時就要另外采取措施; 減輕外界干擾的對策:(a)在變頻器電源輸入端加交流電抗器1ACL、無線電吸收電抗器FIL1。 (b) 過電壓的減弱程度與變頻器前端電源線長度、布局等有關。當電源線長時，由變壓器來的過電壓和干擾在電源線的電感上會衰減，此時由變頻器內部的壓敏電阻、電容吸收比較有效。但當變頻器與配電用變壓器靠近時，電源線阻抗太小，過電壓發(fā)生時沒有在電源線上得到衰減，因此強大的過電壓到達變頻器壓敏電阻上，甚至會使壓敏電阻爆炸。為此加入進線側交流電抗器ACL1實有必要。 (c) 對于變頻器外控端子上因外界干擾造成不能正常工作時可采用如下對策:u 使用繼電器中繼方式，使受干擾的線路完全隔離u 如圖4-5所示，在外控端上并電容，降低輸入阻抗、使干擾衰減u 在外控端子使用雙絞線作控制(圖4-5)u 對塑料外殼變頻器考慮裝在屏蔽箱內，但必需有良好通風冷卻配合圖4-5 減輕外控輸入端上外來干擾的方法3.變頻器引起電網波形畸變，使部分設備工作不正常 通用變頻器因都是采用整流橋電容濾波逆變方式、即交直交方式，整流和電容濾波的使用，會造成電網交流電壓正弦波的頂端因電容吸收能量而變平，在電網內阻大的條件下，使電網電壓波形畸變到足已使一部份電器工作不正常和發(fā)生保護動作。例如:電扶梯、制冷機等，它們的電機都有對相位的要求，在設備中都使用了相序保護器，當電網波形畸變嚴重時，相序保護器因電壓波形畸變而動作，使電機不能接通電源，因此，電梯和制冷機完全不能工作。當線電壓的波形頂端因變頻器的整流和電容濾波使波形變成平頂波時，此時相電壓波形恰變成尖頂波。一般整流式電壓表都是測得峰值電壓，再按正弦波比例折算成有效值而顯示，波形的變壞使顯示的“相電壓有效值”偏高，“線電壓有效值”偏低，這可以從圖4-6的波形分析圖上看出來。在這樣的惡劣畸變下，不少用電器會因“電壓過低”“電壓過高”而報警，使現場某些設備不能工作。圖4-6 整流性電容濾波負載造成電網電壓、電流波形的嚴重畸變要解決這類因整流電容濾波負載造成的電網波形畸變，有效方法是:a在配電變壓器(或發(fā)電機)后面的整流電容濾波型變頻器的總負載容量不要太大，一般小于配電變壓器容量的1/10以下; b變頻器要配置直流電抗器和輸入側交流電抗器，而且選擇電抗器的電感量大一些為好。直流電抗器電感量越大，電流連續(xù)性越好，對功率因數改善越有利。圖4-7是不同電感量的直流電抗器在變頻器中使用的功率因數趨向。圖中THD是諧波總畸變，cos是輸入功率因數，使用大的直流電抗器可以大大降低諧波總畸變和提高功率因數。圖4-7 變頻器在不同直流電抗器時的功率因數和總諧撥畸變c有條件的情況下要使用有PFC(功率因數校正)技術的三相和單相變換器作為變頻器的輸入或者采用經過移相變壓器繞阻的12脈整流技術，以改善畸變，但這都涉及到變頻器內部整流濾波級的改型設計。二變頻器安裝后的調試注意事項1.通電前檢查a察看變頻器安裝空間、通風情況、是否安全足夠;銘牌是否同電機匹配;控制線是否布局合理，以避免干擾;進線與出線絕對不得接反，變頻器的內部主回路負極端子N不得接到電網中線上(不少電工誤認為N應接電網中線)，各控制線接線應正確無誤。b當變頻器與電機之間的導線長度超過約50m，當該導線布在鐵管或蛇皮管內長度超過約30m，特別是一臺變頻器驅動多臺電機等情況，存在變頻器輸出導線對地分布電容很大，應在變頻器輸出端子上先接交流電抗器，然后接到后面的導線上，最后是負載，以免過大的電容電流損壞逆變模塊。在輸出側導線長的時候，還要將PWM的調制載頻設置在低頻率，以減少輸出功率管的發(fā)熱，以便降低損壞的概率。c確認變頻器工作狀態(tài)與工頻工作狀態(tài)的互相切換要有接觸器的互鎖，不能造成短路，并且兩種使用狀態(tài)時電機轉向相同。d根據變頻器容量等因素確認輸入側交流電抗器和濾波直流電抗器是否接入。一般對22kW以上要接直流電抗器，對45kW以上還要接交流電抗器。e電網供電不應有缺相，測定電網交流電壓和電流值、控制電壓值等是否在規(guī)定值，測量絕緣電阻應符合要求(注意因電源進線端壓敏電阻的保護，用高電壓兆歐計時要分辯是否壓敏電阻已動作)。2.通電和設定a通電 通電后首先觀察顯示器，并按產品使用手冊變更顯示內容，檢查有否異常。聽看風機運轉否，有的變頻器使用溫控風機，一開機不一定轉，等機內溫度升高后風機才轉。檢查進線和出線電壓，聽電機運轉聲音是否正常，檢查電機轉向反了沒有，反了首先要更換電機線校正。b設定設定前先讀懂產品使用手冊，電機能脫離負載的先脫離負載。變頻器在出廠時設定的功能不一定剛好符合實際使用要求，因此需進行符合現場所需功能的設定，一般設定內容有:頻率、操作方法、最高頻率、額定電壓、加/減速時間、電子熱過載繼電器、轉矩限制、電機極數等等。對矢量控制的變頻器，要按手冊設定或自動檢測。并在檢查設定完畢后進行驗證和儲存。3.試運行空載運行將電機所帶的負載脫離或減輕，作以下空載運行檢查:a檢查電機轉向;b各頻率點有否異常振動、共振、聲音不正常，如有共振應設法使變頻器頻率設定點避開該點;c 按設定的程序從頭到尾試一遍確認沒有問題;d模擬日常會發(fā)生的操作，將各種可能操作做一遍確認無誤;e 聽電機因調制頻率產生的振動噪聲是否在允許范圍內，如不合適可更改調制頻率，頻率選高了振動噪音減小，但變頻器溫升增加，電機輸出力矩有所下降，可能的話，調制頻率低一些為好;f測量輸出電壓和電流對稱程度，對電機而言不得有10%以上不平衡。負載試運行a按正常負載運行，用鉗型電流表測各相輸出電流是否在預定值之內(觀察變頻器自顯示電流也可，兩者略有差別)。b對有轉速反饋的閉環(huán)系統(tǒng)要測量轉速反饋是否有效。做一下人為斷開和接入轉速反饋，看一看對電機電壓電流轉速的影響程度。c檢查電機旋轉平穩(wěn)性，加負載運行到穩(wěn)定溫升(一般3h以上)時，電機和變頻器的溫度有否太高，如有太高應調整，調整可從改變以下參數著手:負載、頻率、V/f曲線、外部通風冷卻、變頻器調制頻率等。d試驗電動機的升降速時間有否過快過慢，不適合應重新設置。e試驗各類保護顯示的有效性，在允許范圍內盡量多做一些非破壞性的各種保護的確認。f按現場工藝要求試運行一周，隨時監(jiān)控，并做好記錄作為今后工況數據對照。4.2.4諧波抑制的工程設計方法 隨著大功率半導體電力變流器、變頻器等電力電子設備的廣泛應用，愈來愈多的諧波電流被注入了電網，由于電力電子器件的非線性工作特性決定了基波電流滯后，且諧波的消極影響越來越嚴重，因此，如何有效地抑制諧波是電力設計中的一項重要內容。一.對諧波進行分析（1）增加了無功功率消耗和銅損在電流波形畸變的情況下，電力系統(tǒng)的視在功率應為： S2=P2Q2T2 (1)式中：S為視在功率； P為有功功率； Q為無功功率； T為畸變功率。 由于諧波電壓和電流的頻率不同，其相角差隨頻率差作周期性變化，累計的功率之和為零，所以畸變功率具有無功功率性質。 諧波電流將使電力系統(tǒng)中的元件如電動機產生諧波銅耗、諧波雜散損耗及諧波鐵耗。諧波損耗的存在使得電動機總損耗增加，溫升增加及效率降低。電動機將多吸收無功功率，導致功率因數下降。 （2）含有高次諧波的電壓加在電容器兩端時，由于電容器對高次諧波阻抗很小，諧波電流加在電容器的基波上，使電容器的總運行電流增大，溫升提高，很容易發(fā)生過負荷以至損壞，導致使用壽命縮短。同時，諧波對電容器參數匹配產生影響，有可能在電網中造成高次諧波諧振，使故障加劇。 （3）由于諧波引起控制系統(tǒng)誤差造成觸發(fā)角偏移及電流、電壓變化率過高，引起晶閘管故障，甚至引起變流裝置、自動控制裝置的控制失靈和誤動作，進而造成系統(tǒng)故障。 （4）持續(xù)的諧波含量過高，將加速變壓器、電動機、電力電纜的絕緣老化而使其容易被擊穿。某些情況下，特別在瞬態(tài)過程中，還可能引起諧振過電壓。 （5）諧波電壓和諧波電流通過線路間的感應耦合，會在通訊線路中感應出相當大的諧波電壓，從而對通訊線路造成干擾，影響通信網絡的正常工作。二諧波抑制的工程設計要點 根據GB/T1454993電能質量公用電網諧波的要求，必須對各種非線性負荷注入電網的諧波電壓和諧波電流加以限制。 在供電設計中，加大系統(tǒng)短路容量；提高供電電壓等級；增加變流裝置的脈動數；改善系統(tǒng)的運行方式，如：盡可能保持三相負荷平衡，避免各類電磁系統(tǒng)飽和，錯開系統(tǒng)諧振點，由專門電路為諧波源負載供電等，都能減小系統(tǒng)中的諧波成份。但其中許多措施都會大大增加系統(tǒng)和設備的投資，且有些方法的效果并不一定很理想。因此，設置交流濾波器是有效抑制諧波和改善波形的積極措施，同時濾波器還能向系統(tǒng)提供所需的部分或全部無功。 整流器、逆變器等非線性負荷，因為其本身可以表示為產生高次諧波電流的恒流源，故可用圖1來表示高次諧波的等效電路。 流向電網的諧波電流IS和母線的諧波電壓VB可表示為： IS=InZL/(ZSZL） VB=ISZS (2) 式中：IS為注入電網的諧波電流； In為諧波電流； VB為諧波電壓； ZS為電網阻抗； ZL為電網負載阻抗。 該式表明，當電網阻抗(ZS)一定時，相對減小系統(tǒng)負載阻抗(ZL)，就可以減小流向電網的諧波電流和母線的諧波電壓（電壓畸變）。諧波干擾取決于流向電網的諧波電流或電壓畸變的大小。抑制諧波的目的，就是要降低流向電網的諧波電流。 因此，可以采取以下兩種措施： （1）對于電力系統(tǒng)，設置諧波低阻抗的分流電路，從而減小負載阻抗ZL，降低注入電網的諧波電流IS； （2）提供逆相位的諧波，以抵消非線性負荷所產生的諧波電流In，達到消除諧波的目的。 前者稱為被動式濾波器，即常用的LC濾波器；后者稱為能動式濾波器，即有源濾波器。三LC濾波器的設計 LC濾波器是利用LC諧振原理，人為地造成一條串聯諧振支路，為欲濾除的主要諧波提供阻抗極低的通道，使之不注入電網。根據其電容器與電抗器的聯接方式不同，主要常用的有單調諧濾波器和高通濾波器。它們的結構和阻抗特性如圖2、圖3所示。 單調諧濾波器的諧振次數和品質因數分別為： 諧波阻抗為： Zfn=Rfnj(nXL1XC1/n)Rfn(1j2Qn) (4)上二式中：XC1為電容器組的基波容抗； XL1為電抗器的基波感抗； XLn為電抗器在n次諧波時的感抗； Rfn為濾波器在n次諧波時的電阻； 為電網角頻率相對偏差。 由于系統(tǒng)頻率的波動、濾波電容器及電抗器有關參數制造時的偏差、電抗器的調節(jié)偏差，以及環(huán)境溫度和負荷的變化，濾波器的實際諧振頻率可能與其設計值不完全相同，即在偏離設計值的一定范圍內變化。一般情況下，單調諧濾波器在Qn=1/2時有最好的濾波效果，即注入電網的諧波電流最小。 由圖2(b)可知，單調諧濾波器的濾波效果與和Qn有直接關系。Qn越大，曲線越尖銳，但越容易失諧，濾波效果下降越快；Qn過小時，濾波效果在較大范圍內變化不大，但效果較低，此時損耗也較大。所以，Qn和的確定要經過多種方案比較，并兼顧各個指標后選取。 對于高通濾波器，由于其電抗器L與電阻R并聯，有一個較低的阻抗頻率范圍。當頻率低于某一截止頻率f0（f0=1/2RC）時，由于容抗增加使濾波器阻抗明顯增加，低次諧波電流難于通過；當頻率高于f0時，由于容抗不大，總的阻抗也變化不大，形成一個通頻帶。 與單調諧濾波器相反，其品質因數Qn=Rfn/XLn。這是因為在高通濾波器中，電阻R與電抗器L并聯，電阻越大，調諧越尖銳；而在單調諧濾波器中，電阻R與電抗器L串聯，電阻越小，調諧越尖銳。但無論是單調諧濾波器還是高通濾波器，品質因數是標志調諧銳度的指標。對于高通濾波器，Qn值一般取15。由圖3(b)可以看出，即使在調諧頻率附近，頻率偏差也影響不大。 高通濾波器截止頻率應選擇靠近要濾的主要諧波，否則其損耗將大大增加。 對于某次諧波，要達到同樣的濾波效果，采用單調諧濾波器將大大減小容量，但高通濾波器有綜合濾波功能，它可以同時濾除若干次高次諧波，減少濾波電路數。因此，在濾波方案選擇時，對于主要的諧波，宜用單調諧濾波器；而對若干較高次諧波，且諧波電流值不大，宜選用一組高通濾波器。當結合所需無功補償容量考慮時，許多情況下，用幾組單調諧濾波器加一組高通濾波器是比較經濟可行的方案。 如圖4為某鍍錫薄板廠用LC濾波器的典型構成。 由式(2)可知，LC濾波器的濾波效果取決于電源阻抗和濾波器內部阻抗的相互關系，由于濾波器并聯在電路中，其本身就是阻抗因素，容易受電源已有高次諧波畸變的影響。因此，在設計時應充分考慮以下幾方面因素： (1)電源的阻抗條件。根據系統(tǒng)接線，變壓器參數或擬裝設濾波器處母線電壓及短路容量，計算系統(tǒng)的諧波阻抗；電網頻率波動范圍和濾波電容器及電抗器的調節(jié)偏差等因素構成的等值頻率偏差； (2)在工頻范圍內，濾波器和電容器有著相同的功能，協(xié)調系統(tǒng)的超前相位容量，從而有效減小濾波器容量，降低濾波器造價；電網已有高次諧波電壓對濾波器可能造成的過載影響；變流器負載所產生的高次諧波量，確定濾波器的定額； (3)高次諧波抑制指標。根據電能質量公用電網諧波的規(guī)定，確定各次諧波電壓畸變率和注入相應電壓等級電網的諧波電流允許值。 LC濾波器結構簡單，吸收諧波效果明顯。但由于其結構原理上的原因，在應用中存在著難以克服的缺陷： (1)僅對固有頻率的諧波有較好的補償效果，當諧波成份變化時補償效果差； (2)補償特性受電網阻抗的影響很大； (3)在特定頻率下，電網阻抗和LC濾波器之間可能會發(fā)生并聯諧振，使該頻率的諧波電流被放大；或者發(fā)生串聯諧振，使電網側可能存在的諧波電壓向LC濾波器注入較大的諧波電流； (4)當接在電網中的其他諧波源未采取濾波措施時，其諧波電流可能流入該濾波器，造成過載。 而有源濾波器能對變化的諧波進行迅速的跟蹤補償，基本上克服了LC濾波器的上述缺點。四有源濾波器的應用 隨著功率電子器件和PWM技術的發(fā)展，基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測法的提出，使有源濾波器得到迅速發(fā)展。 前述可知，LC濾波器實際上是由濾波電容器和電抗器組成的、對某些或某次諧波呈低阻抗諧振支路，濾除這些諧波。而有源濾波器與LC濾波器的最大區(qū)別在于它是一種向系統(tǒng)注入補償諧波電流，以抵消非線性負荷所產生的諧波電流的能動式濾波裝置。它能對變化的諧波進行迅速的動態(tài)跟蹤補償，且補償特性不受系統(tǒng)阻抗影響。其結構上由靜態(tài)功率變流器構成，具有半導體功率器件的高可控性和快速響應能力。 有源濾波器的工作原理如圖5所示。 負載電流IL按傅里葉級數可展開為： IL=Insin(ntn) =I1cos1sintI1sin1costInsin(ntn) =I1pI1qIn (5)式中：I1p為負載基波有功電流； I1q為負載基波無功電流； In為高次諧波電流。 將濾波器并聯連接在諧波發(fā)生源和電源之間，Is=ILIF?？刂朴性礊V波器的輸出電流IF=In，電源側電流則為只含基波分量的正弦波形。即：有源濾波器產生一個與負載諧波電流幅值相等、相位相反的電流注入負載電流IL流經的線路中，將負載諧波抵消，使之不流入電網。由式(5)可知，有源濾波器還可同時補償無功，即使IF=I1qIn，IS=I1p，從而提高系統(tǒng)功率因數。 有源濾波器的基本結構由諧波電流檢測、控制電路、PWM逆變器、直流電源及注入變壓器等部分組成。根據逆變器儲能元件不同，可將有源濾波器分為電流型和電壓型兩種。電流型有源濾波器儲能元件為電感，由于其運行損耗較大，對儲能電感的充電控制較復雜，因而使其應用受到限制；電壓型有源濾波器儲能元件為電容，具有損耗小，易于控制等優(yōu)點而得到普遍應用。電壓型有源濾波器工作過程是由電容器構成儲能直流電源，逆變器根據檢測信號產生PWM輸出電壓，將儲存在電容器中直流電能轉變成所需頻率和波形的補償電流，經隔離變壓器注入線路中。PWM逆變器同時兼有向電抗器或電容器提供直流電能的功能。這個過程直接受諧波電流補償量檢測及控制電路的控制。 有源濾波器具有以下特點： (1)該裝置是一個諧波電流源，它的接入對系統(tǒng)阻抗不會產生影響； (2)系統(tǒng)結構發(fā)生變化時，該裝置不存在產生諧振的危險，不影響補償性能； (3)不存在過載問題。當系統(tǒng)諧波電流增大超過裝置的補償能力時，濾波器仍可發(fā)揮最大補償作用； (4)對系統(tǒng)中各次諧波均能有效抑制； (5)一臺裝置即可實現對多次諧波和基波無功電流的實時動態(tài)跟蹤補償。 但是，與LC濾波器相比，有源濾波器的結構相對復雜，運行損耗較大，設備造價高。由于有源濾波器本身是以開關方式工作，在補償諧波的同時，也會注入新的諧波，但其開關頻率很高（達3kHz以上），諧波頻率高，幅值低。 有源濾波器可用于抑制負載為周期性變化的高次諧波和LC濾波器不能抑制的部分高次諧波。表1為有源濾波器的兩種接線方式比較。 直接接入方式是有源濾波器與系統(tǒng)的基本連接方式。此時PWM逆變器相當于一個受控電流源，其產生與負載諧波大小相等、相位相反的諧波電流，使電源側電流被補償成正弦。該方式下，電源基波電壓全部加在逆變器上，因而裝置容量較大。該接線方式的濾波器具有連續(xù)調節(jié)無功功率的功能，能在補償諧波的同時動態(tài)補償系統(tǒng)無功。 注入電路方式的有源濾波器將電抗器和電容器作為逆變器注入電路，利用電感和電容的諧振特性，使有源濾波器不承受基波電壓，從而減小了逆變器的裝置容量，減小體積，降低成本。通過選擇注入電路常數，使逆變器的裝置容量僅為直接接入方式的1/41/5，因此適于構成高壓電路的大型濾波裝置。 有源濾波器也可與LC濾波器并聯或串聯組成混合結構進行組合運用。當并聯使用時，LC濾波器用來分擔補償相同次數的諧波，補充有源濾波器的補償作用，降低所需逆變器的容量。而采用串聯方式運用時，有源濾波器則主要不是用來直接補償諧波，而是用來抑制LC濾波器與電網阻抗之間的并聯諧振，即所謂的諧波放大現象，以改善LC濾波器的補償效果。此時，逆變器不承受基波電壓，裝置容量小。 圖6為明電舍株式會社生產的有源濾波器原理電路圖。該裝置可以有效濾除219次諧波，諧波抑制率達85以上，動態(tài)響應時間小于1ms。5.工業(yè)通訊網絡及工業(yè)現場總線5.1有關工業(yè)通訊網絡及工業(yè)現場總線的問題根據地鐵車站的環(huán)境條件，提出車站BAS工業(yè)通訊網絡和工業(yè)現場總線采用何種通訊介質（雙絞/同軸電纜或光纖）。不同介質的最遠傳輸距離、站間傳輸距離及工業(yè)通訊網絡和工業(yè)現場總線的傳輸速率。5.2有關工業(yè)通訊網絡及工業(yè)現場總線問題的答復5.2.1總線問題綜述根據地鐵車站實際環(huán)境條件，通訊介質選用雙絞線/同軸電纜或光纖均成可能。當然，如果不考慮工程成本，當然選擇光纖介質通訊是最可靠最安全的。如果通訊距離不是很遠，也沒有很強的干擾因素，可采用雙絞線/同軸電纜，部分距離超出范圍，而且處于容易干擾的環(huán)境時，可改用光纖連接，這樣既經濟又能保證通訊品質，也是很好的選擇方案。至于傳輸距離和通訊速率不能以介質來衡量。如果使用同種通訊協(xié)議的條件下，光纖介質通訊距離和通訊速率遠遠優(yōu)于雙絞線/同軸電纜，具體通訊距離和通訊速率應該由通訊協(xié)議本身決定。下面介紹一下現場總線通訊協(xié)議及各協(xié)議采用不同的傳輸介質的性能比較。5.2.2總線種類及執(zhí)行標準現場總線是用于過程控制現場儀表與控制室之間的一個標準的、開放的、雙向的多站數字通信系統(tǒng)。隨著計算機技術、通訊技術、集成電路技術的發(fā)展，以全數字式現場總線（FIELDBUS）為代表的互聯規(guī)范，正在迅猛發(fā)展和擴大。由于采用現場總線將使控制系統(tǒng)結構簡單，系統(tǒng)安裝費用減少并且易于維護；用戶可以自由選擇不同廠商、不同品牌的現場設備達到最佳的系統(tǒng)集成等一系列的優(yōu)點。近十幾年由于現場總線的國際標準不能建立，現場總線發(fā)展的種類較多，約有40余種：如德國西門子公司Siemens的ProfiBus，法國的FIP，英國的ERA，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，國際標準組織-基金會現場總線FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美國的DeviceNet與ControlNet等等。各種總線符合的標準如下：丹麥國家標準DSF21906：P-Net德國國家標準DIN19245（1-2）：ProfiBus-FMS德國國家標準DIN19245（3）：ProfiBus-DP德國國家標準DIN19245（4）：ProfiBus-PA法國國家標準FIPC46601-607：WorldFIP日本JEMA標準CC-Link美國國家標準ANSI/NEMA以等同方式支持的ISA/IEC標準草案1)ISA/IEC61158-1總論；2)ISA/IEC61158-2物理層規(guī)范3)ISA/IEC61158-3鏈路層服務定義1998/09/30未通過4)ISA/IEC61158-4鏈路層規(guī)范；1998/09/30未通過5)ISA/IEC61158-5應用層服務定義；1998/09/30未通過6)ISA/IEC61158-6應用層規(guī)范；1998/09/30未通過7)ISA/IEC61158-7管理系統(tǒng)8)ISA/IEC61158-8一致性試驗9)ISA/IEC61804過程控制模塊歐洲標準EN50170（CLC65CX）Vol.IP-NetVol.IIProfiBusVol.IIIWorldFIPVol.IVFF,聯合國(UK)IEC國家委員會提議Vol.VControlNet,聯合國(UK)IEC國家委員會提議歐洲標準EN50254（CLC65CX）1)ProfiBusDP2)FIPDWF3)Interbus歐洲標準EN50295（CLCTC17B）1)ASI歐洲標準prEN503251)DeviceNet美國Rockwell2)SDS美國Honeywell國際標準ISO118981)德國CANbus;2)美國DeviceNet;3)特性接近ProfiBus;國際標準IEC62026(IECSC65C)1)ASI法國、德國2)DeviceNet美國Rockwell3)SDS美國Honeywell5.2.3總線舉例總線的種類很多，下面只對基金會現場總線FF；ProfiBus；WorldFIP；ControlNet/DeviveNet；CAN；CC-Link進行介紹：1、基金會現場總線FF現場總線基金會包含100多個成員單位，負責制訂一個綜合IEC/ISA標準的國際現場總線。它的前身是可互操作系統(tǒng)協(xié)議ISP（InterperableSystemProtocol）-基于德國的ProfiBis標準，和工廠儀表世界協(xié)議WORLD（WorldFactoryInstrumentationProtocol）-基于法國的FIP標準。ISP和WORLDFIP于1994年6月合并成立了現場總線基金會?；饡F場總線采用國際標準化組織ISO的開放化系統(tǒng)互聯OSI的簡化模型（1，2，7層）。另外增加了用戶層?；饡F場總線是國際上幾家現場總線經過激烈競爭后形成的的一種現場總線，由現場總線基金會推出。與私有的網絡總線協(xié)議不同，FF總線不附屬于任何一個企業(yè)或國家。其總線體系結構是參照、ISO的OSI模型中物理層、數據鏈路層和應用層，并增加了用戶層而建立起來的通信模型。FF得到了世界上幾乎所有的著名儀表制造商的支持，同時遵守IEC的協(xié)議規(guī)劃，與IEC的現場總線國際標準和草案基本一致，加上它在技術上的優(yōu)勢，所以極有希望成為將來的主要國際標準。FF總線采用屏蔽雙絞線通訊介質，提供了Hl和H2兩種物理層標準。Hl是用于過程控制的低速總線，傳輸速率為31.25Kbps，傳輸距離為200m、450m、1200m、1900m四種（加中繼器可以延長），可用總線供電，支持本質安全設備和非本質安全總線設備。H2為高速總線，其傳輸速率為1Mbps（此時傳輸距離為750m）或2.5bps（此時傳輸距離為為500m）。H1和H2每段節(jié)點數可達32個，使用中繼器后可達240個，Hl和H2可通過網橋互連。FF的突出特點在于設備的互操作性、改善的過程數據、更早的預測維護及可靠的安全性。2、ProfiBusProfiBus自1984年開始研制現場總線產品，現以成為歐洲首屈一指的開放式現場總線系統(tǒng)，歐洲市場占有率大于40%，廣泛應用于加工自動化、樓宇自動化、過程自動化、發(fā)電與輸配電等領域。1996年6月ProfiBus被采納為歐洲標準EN50170第二卷。PNO為其用戶組織，核心公司有：Siemens公司，E+H公司，Samson公司，Softing公司等。ProfiBus技術特性：ProfiBus以ISO7498為基礎，以開放式系統(tǒng)互聯網絡OSI（OpenSystemInterconnection）作為參考模型，定義了物理傳輸特性，總線存取協(xié)議和應用功能。ProfiBus家族包括ProfiBus-DP，ProfiBus-PA，ProfiBus-FMS。ProfiBus-DP（DecentralizedPeriphery）是一種高速和便宜的通信連接，用于自動控制系統(tǒng)和設備級分散的I/0之間進行通信。ProfiBus-FMS（FieldBusMessageSpecification）用來解決車間級通用性通信任務。與LLI（LowerLayerInterface）構成應用層，FMS包括了應用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強有力的通信服務，LLI協(xié)調了不同的通信關系并向FMS提供了不依賴設備訪問數據鏈層。ProfiBus-PA（ProcessAutomation）專為過程自動化而設計的，它可使傳感器和執(zhí)行器接在一根共用的總線上。根據IEC61158-2國際標準，ProfiBus-PA可用雙絞線供電技術進行數據通信，數據傳輸采用擴展的ProfiBus-DP協(xié)議和描述現場設備的PA行規(guī)。當使用電纜耦合器，ProfiBus-PA裝置能很方便的連接到ProfiBus-DP網絡。Profibus由Siemens公司提出并極力倡導，己先后成為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170，是一種開放而獨立的總線標準，在機械制造、工業(yè)過程控制、智能建筑中充當通信網絡。Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS三個系列組成。Profibus-PA （Process Automation）用于過程自動化的低速數據傳輸，其基本特性同FF的H1總線，可以提供總線供電和本質安全，并得到了專用集成電路（ASIC）和軟件的支持。Profibus-DP與Profibus-PA兼容，基本特性同FF的H2總線，可實現高速傳輸，適用于分散的外部設備和自控設備之間的高速數據傳輸，用于連接Profibus-PA和加工自動化。Profibus-FMS適用于一般自動化的中速數據傳輸，主要用于傳感器、執(zhí)行器、電氣傳動、PLC、紡織和樓宇自動化等。后兩個系列采用RS485通信標準，傳輸速率從9.6kbps到12Mbps，傳輸距離從1200M到l00m（與傳輸速率有關）。介質存取控制的基本方式為主站之間的令牌方式和主站與從站之間的主從方式，以及綜合這兩種方式的混合方式。Profibus是一種比較成熟的總線，在工程上的應用十分廣泛。3、WorldFIPWorldFIP協(xié)會成立于1987年3月，以法國CEGELEC、SCHNEIDER等公司為基礎開發(fā)了FIP（工廠儀表協(xié)議）現場總線系列產品。協(xié)會有100多個成員，產品在法國市場占有率大于60%，歐洲約25%。產品適用于發(fā)電與輸配電、加工自動化、鐵路運輸、地鐵和過程自動化等領域。1996年6月WorldFIP被采納為歐洲標準EN50170。WorldFIP是一個開放系統(tǒng)，不同系統(tǒng)、不同廠家生產的裝置都可以使用WorldFIP，應用結構可以是集中型、分散型和主站-從站型。WorldFIP現場總線構成的系統(tǒng)可分為三級：過程級、控制級和監(jiān)控級，這樣用單一的WorldFIP總線就可以滿足過程控制、工廠制造加工系統(tǒng)和各種驅動系統(tǒng)的需要了。WorldFIP協(xié)議有物理層、數據鏈路層和應用層組成。應用層定義為兩種：MPS定義和SubMMS定義。MPS是工廠周期/非周期服務，SubMMS是工廠報文的子集。物理層的作用能夠確保連接到總線上的裝置間進行位信息的傳遞。介質是屏蔽雙絞線或光纖。傳輸速度有31.25kb/s，1Mb/s和2.5Mb/s，標準速度是1Mb/s，使用光纖時最高可達5Mb/s。WorldFIP的幀有三部分組成，即幀起始定界符（FSS），數據和檢驗字段，以及幀結束定界符。應用層服務有三個不同的組：BAAS（BusArbitratorApplicationServices），MPS（ManufacturingPeriodical/aPeriodicalServices），SubMMS（SubsetofMessagingServices）。MPS服務提供給用戶：本地讀/寫服務，遠方讀/寫服務，參數傳輸/接收指示，使用信息的刷新等。處理單元通過WorldFIP的通信裝置（通信數據庫和通信芯片組成）掛到現場總線上。通信芯片包括通信控制器和線驅動，通信控制器有FIPIU2，FIPCO1，FULLFIP2，MICROFIP等，線驅動器用于連接電纜（FIELDRIVE，CREOL）或光纖（FIPOPTIC/FIPOPTIC-TS）。通信數據庫用于在通信控制器和用戶應用之間建立鏈接。4、ControlNet/DeviveNetControlNet的基礎技術是在RockwellAuto