淺談?dòng)性礊V波器在汽車(chē)行業(yè)中的應用及選型

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

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

0引言

近20年來(lái)，我國經(jīng)濟持續高速增長(cháng)，汽車(chē)為人們的交通出行帶來(lái)了很大便利，電力電子器件大量使用于汽車(chē)制造行業(yè)，對工廠(chǎng)配電系統的電能質(zhì)量提出了愈來(lái)愈高的要求。

1汽車(chē)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、電力電子器件、變頻器等非線(xiàn)性設備的應用產(chǎn)生了諧波，頻率為工頻的整數倍(也有工頻非整數倍的分量為間隙波)，使電壓和電流的波形發(fā)生畸變，由標準正弦波變?yōu)榉钦也ā?/p>

汽車(chē)制造業(yè)在生產(chǎn)中大量采用了諸如電焊機、沖壓機、切割機、起重機、變頻器等沖擊性、非線(xiàn)性負荷，這種沖擊性負荷的諧波問(wèn)題，其變化速度快，幅度大，非常難處理，會(huì )對企業(yè)的生產(chǎn)工作和設備使用帶來(lái)非常大的影響和巨大的經(jīng)濟損失。

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

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

現場(chǎng)配電系統使用自動(dòng)投切補償裝置，其核心部件為可控硅，使用壽命長(cháng)，但作為靈敏度自動(dòng)化設備，對任何細微的變化都為敏感，其反應速度快、動(dòng)作頻率高的特性的優(yōu)點(diǎn)在面對諧波時(shí)反而成為缺點(diǎn)。大量的諧波導致可控硅頻繁動(dòng)作，投切頻率遠高于正常使用頻率，使原本預計的使用壽命大大下降，產(chǎn)品好的耐受性顯得毫無(wú)意義從而加大企業(yè)在此方面的維護成本。

1.2諧波治理的作用

眾所周知，不同種類(lèi)的諧波造成的危害不盡相同(如:3次諧波加在中性線(xiàn)可能造成中性線(xiàn)嚴重過(guò)負荷)，高次諧波則易和電容器產(chǎn)生共振，能毀電容器。

通過(guò)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，保護車(chē)間內的沖壓設備。電焊設備等不再受到諧波危害。在純凈的用電環(huán)境下設備的工作穩定性將大大提升，解決因諧波影響而產(chǎn)生的脫焊、未焊透等問(wèn)題。

2點(diǎn)焊機的工作特性和諧波治理

2.1點(diǎn)焊機的工作特性

在汽車(chē)行業(yè)的焊接工藝中，點(diǎn)焊由于其焊接特性?xún)?yōu)良和便于機械自動(dòng)化得到了普遍的應用，有可移動(dòng)式獨立焊機也有固定式焊接生產(chǎn)線(xiàn)、焊接機器人等，電焊機起弧時(shí)輸人電流間加大至滿(mǎn)負荷，電弧想滅后輸人電流降至接近于零，并且負載在零至滿(mǎn)負載之間快速、反復變化。由于逆變焊機中二管整流電路的存在，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(gè)周波內完成，計量時(shí)間達到毫，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，情況更加復雜。

2.2點(diǎn)焊機的諧波分析

焊接車(chē)間低壓供電的配電情況較為復雜，主要包含多種大型點(diǎn)焊設備和沖壓設備等。筆者選用了一臺經(jīng)常出現母焊的焊機進(jìn)行測試，了解該焊機在啟動(dòng)運行過(guò)程中的諧波大小和分布情況。點(diǎn)焊機啟動(dòng)后的工作電流如圖1所示。

圖1點(diǎn)焊機啟動(dòng)后的工作電流

從圖1中可以看出，電流波形畸變嚴重，特別是啟動(dòng)時(shí)A相電流波形出現長(cháng)時(shí)平谷，B相電流波形出現多個(gè)波峰。

圖2為焊機電流波形圖(虛線(xiàn)為標準正強波電流應在用電開(kāi)始后5ms時(shí)達到電流峰值，在10mms時(shí)歸0，在15ms時(shí)達到反向峰值，在20s時(shí)再次歸0，構成一個(gè)完整的周波，在一個(gè)周波的用電時(shí)間內，電流波形應該過(guò)渡平滑?？梢钥闯?，焊機實(shí)際波形比標準正強波形更早出現了波峰，在5ms峰階段，焊機波形此時(shí)已經(jīng)處于回落狀態(tài)，并出現了長(cháng)時(shí)間的平谷，此時(shí)電流值為0。通過(guò)對比不難看出，焊機的電流波形已經(jīng)不是正弦波形，負載電流中含有大量的諧波電流，導致焊機電流波形畸變嚴重，會(huì )對電力系統造成嚴重影響。

圖2焊機電流波形圖分析

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(diǎn)焊機的諧波治理

針對點(diǎn)焊機的工作特性，需要選擇具備快速響應能力的濾波裝置進(jìn)行諧波治理，而有源濾波器通過(guò)大功率電力電子器件的高頻開(kāi)關(guān)(IGBT)來(lái)實(shí)現諧波治理，并具備沖擊性負荷的無(wú)功補償功能，能夠發(fā)揮重要作用。

圖4投入有源濾波器的焊機電流波形圖

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電流波形圖，可以看出，經(jīng)有源濾波器補償后的焊機波形已經(jīng)比較接近正弦波形，且波峰和0值過(guò)渡較為平滑，沒(méi)有出現補償的波形畸變情況，說(shuō)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(guān)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，特別是補償較多的2次和3次諧波電壓。

從補償結果可以看出，有源濾波器可以適應焊接車(chē)間內的工作環(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)行補償，且補償效果十分理想，基本消除焊機產(chǎn)生的諧波電流，同時(shí)對諧波電壓也有較強的抑制作用。

3安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

3.1產(chǎn)品特點(diǎn)

(1)DSP+FPGA控制方式，響應時(shí)間短，全數字控制算法，運行穩定；

(2)一機多用，既可補諧波，又可兼補無(wú)功，可對2～51次諧波進(jìn)行全補償或特定次諧波進(jìn)行補償；

(3)具有完善的橋臂過(guò)流保護、直流過(guò)壓保護、裝置過(guò)溫保護功能；

(4)模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實(shí)現參數設置和控制，使用方便，易于操作和維護；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統的影響；

(7)多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出等；

3.2型號說(shuō)明

3.3尺寸說(shuō)明

3.4產(chǎn)品實(shí)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用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線(xiàn)損、提高功率因數和電能質(zhì)量的新一代無(wú)功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開(kāi)關(guān)電路，線(xiàn)路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成?？商娲Ｒ幱扇劢z、復合開(kāi)關(guān)或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線(xiàn)連接而組成的自動(dòng)無(wú)功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長(cháng)，可靠性高的特點(diǎn)，適應現代電網(wǎng)對無(wú)功補償的更高要求。

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(xiàn)電壓、三相母線(xiàn)電流、三相功率因數、頻率、電容器路數及投切狀態(tài)、有功功率、無(wú)功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過(guò)內部晶閘管復合開(kāi)關(guān)電路，自動(dòng)尋找適宜投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現過(guò)零投切，具有過(guò)壓保護、缺相保護、過(guò)諧保護、過(guò)溫保護等保護功能。

4.2型號說(shuō)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(shí)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(wú)功補償裝置智能電容方案

5結語(yǔ)

目，我國汽車(chē)保有量持續快速上漲，汽車(chē)制造業(yè)新建、擴建、改建項目源源不斷，新技術(shù)、新產(chǎn)線(xiàn)、新設備持續投入使用，配電網(wǎng)中非線(xiàn)性負荷的比例還在不停增加，諧波理的需求非常大。隨著(zhù)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(huì )隨之下降，采用有源濾波器進(jìn)行諧波治理會(huì )成為愈來(lái)愈多車(chē)企的選擇，能夠靈活配置、快速響應的有源濾波器，將會(huì )在諧波治理這一域得到更廣泛的應用。