|
來(lái)源：Digikey 作者：Steven Keeping 電費成本一般會(huì )占到水處理廠(chǎng)運營(yíng)預算的 40%，因此，工廠(chǎng)必須以最高效率運行。然而，工廠(chǎng)的水泵、電機驅動(dòng)器、照明設備和壓縮機一直受到諸如諧波失真、電壓缺口、電壓驟降和暫升以及電氣噪聲之類(lèi)電能質(zhì)量 (PQ) 問(wèn)題的影響。這些電能質(zhì)量問(wèn)題會(huì )導致效率低下、停機和設備損壞。 電能質(zhì)量問(wèn)題緩解設備可解決水處理廠(chǎng)的問(wèn)題。驅動(dòng)隔離變壓器、硬接線(xiàn)穩壓器、電力線(xiàn)調節器、浪涌保護裝置 (SPD) 和有源跟蹤濾波器等產(chǎn)品可提高效率、防止停機并保護寶貴的電力資產(chǎn)免受損壞。 本文簡(jiǎn)要介紹了水處理廠(chǎng)電氣設備設計人員面臨的電能質(zhì)量問(wèn)題。然后介紹了 SolaHD 的電能質(zhì)量問(wèn)題緩解設備，這些設備可用于緩解這些問(wèn)題并最大限度地提高效率。 電能質(zhì)量問(wèn)題 雖然水處理廠(chǎng)（圖 1）的能源供應總體上是可靠的，但電能質(zhì)量問(wèn)題經(jīng)常出現。此類(lèi)問(wèn)題表現為不必要的諧波失真、電壓驟降和暫升以及電氣噪聲。 
圖 1：水處理廠(chǎng)的能源供應可能會(huì )受到電能質(zhì)量問(wèn)題的影響，從而導致效率低下、停機和設備損壞。（圖片來(lái)源：SolaHD） 水處理廠(chǎng)的電能質(zhì)量挑戰可能來(lái)自雷電等外部來(lái)源，也可能來(lái)自電氣設備本身等內部來(lái)源。例如，當非線(xiàn)性負載以脈沖方式消耗電流時(shí)，質(zhì)量較差的變速驅動(dòng)器就會(huì )產(chǎn)生諧波失真（圖 2）。諧波迫使導體承載 60 赫茲以外的非標準頻率電流。
圖 2：當非線(xiàn)性負載以脈沖方式汲取電流，并迫使導體承載 60 赫茲以外的非標準頻率電流時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生諧波。（圖片來(lái)源：SolaHD） 通過(guò)在電壓正弦波的特定點(diǎn)（而非整個(gè)正弦波）上產(chǎn)生非線(xiàn)性電流，電氣設備會(huì )產(chǎn)生基頻整數倍的諧波頻率。低頻諧波（如 180 Hz、300 Hz 或 420 Hz）是由流經(jīng)電力系統的低頻電流失真和相移電流引起的。高頻諧波（1 kHz 至 3 kHz）是由大功率、非線(xiàn)性電子開(kāi)關(guān)負載中的大電流開(kāi)關(guān)引起的。 另一種諧波現象，即電壓缺口，是由直流電機驅動(dòng)器、電機啟動(dòng)器和電源等水處理設備中的電流整流器開(kāi)關(guān)引起的。電壓缺口通常是由硅控整流器 (SCR) 中的換向操作造成的。在電流從一個(gè)導電 SCR 傳輸到另一個(gè) SCR 的短暫時(shí)間內，會(huì )產(chǎn)生短路。新的 SCR 開(kāi)始導通，而之前的 SCR 則繼續短暫導通。這會(huì )導致相位短路，通常持續幾微秒 (µs)，足以降低電壓。電壓缺口可能發(fā)生在交流半周期的任何時(shí)刻，因為換向角度并不是恒定的，它會(huì )隨著(zhù)負載要求的變化而變化。 雖然電能質(zhì)量問(wèn)題有多個(gè)外部和內部來(lái)源，但約 80% 是由電壓驟降造成的。IEEE 將電壓驟降定義為低于 60 赫茲正常電壓 10% 至 90% 的電壓下降。驟降事件的持續時(shí)間一般少于 60 秒 (s)，但會(huì )多于 8 毫秒 (ms)（圖 3）。
圖 3：電壓驟降是指電壓降低 10% 至 90%，80% 的電能質(zhì)量問(wèn)題都是由電壓驟降造成的。（圖片來(lái)源：SolaHD） 雖然電壓暫升發(fā)生的頻率低于電壓驟降，但它們同樣會(huì )帶來(lái)麻煩。電壓暫升是一種過(guò)壓情況，電壓水平會(huì )在半個(gè)頻率周期到幾秒鐘內暫時(shí)上升（圖 4）。這些干擾可能是由于水處理廠(chǎng)關(guān)閉大型設備負載或功率因數校正 (PFC) 電容器切換等其他事件造成的。
圖 4：電壓暫升是指電壓水平暫時(shí)上升，持續時(shí)間為半個(gè)頻率周期至幾秒鐘。（圖片來(lái)源：SolaHD） 其他電壓?jiǎn)?wèn)題和噪聲 電氣設備和配電系統會(huì )帶來(lái)其他電壓?jiǎn)?wèn)題，包括瞬態(tài)電壓、中斷和不平衡。瞬態(tài)電壓亦稱(chēng)電壓尖峰，是電壓的大幅上升，持續時(shí)間只有幾微秒（圖 5）。雷擊、機械開(kāi)關(guān)、電容器或電容器組開(kāi)關(guān)、電力系統在故障后重新通電、變壓器開(kāi)關(guān)以及某些設備的突然停機都是瞬態(tài)的來(lái)源。
圖 5：瞬態(tài)是電壓的大幅上升，持續時(shí)間只有幾微秒。（圖片來(lái)源：SolaHD） 電壓中斷是指供電中斷，持續時(shí)間從幾秒到幾十秒不等。超過(guò)五秒鐘的中斷通常被稱(chēng)為持續中斷。典型原因是電力公司的發(fā)電或配電網(wǎng)絡(luò )發(fā)生事故或設備故障。 電壓不平衡是三相系統最常見(jiàn)的問(wèn)題之一。正常的平衡狀態(tài)是三相電壓大小相同，相位角相差 120°。如果與其他相位相比，某一相位的負載過(guò)重，該相位的電壓就會(huì )降低，從而導致不平衡。 任何設備在開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)，都會(huì )因電壓或電流的流入或流出而產(chǎn)生電氣開(kāi)關(guān)噪聲。噪聲會(huì )產(chǎn)生快速的電壓變化，從而產(chǎn)生不良影響或損壞電子電路（圖 6）。
圖 6：電氣噪聲會(huì )產(chǎn)生快速的電壓變化，從而損壞電子電路。（圖片來(lái)源：SolaHD） 電能質(zhì)量問(wèn)題對工廠(chǎng)設備的影響 電能質(zhì)量問(wèn)題有多種表現形式，會(huì )影響水處理廠(chǎng)設備的效率、可靠性和使用壽命。例如，諧波會(huì )影響整個(gè)水處理廠(chǎng)的設備，使中性線(xiàn)和變壓器過(guò)熱、斷路器跳閘、中性線(xiàn)電流過(guò)大、降低系統容量，甚至使電氣接頭松動(dòng)。 電壓缺口會(huì )產(chǎn)生高頻諧波，從而損壞水處理設施中敏感的邏輯和通信電子設備。此外，缺口產(chǎn)生的額外電流會(huì )使電磁干擾 (EMI) 濾波器和線(xiàn)路濾波器過(guò)載。此外，電壓缺口會(huì )增加 PFC 電容器的損耗，并導致工作溫度升高。 電壓驟降時(shí)會(huì )出現的問(wèn)題包括使用交流電機的水泵在恒定扭矩負載下會(huì )消耗更多電流，降低效率，有時(shí)還會(huì )導致過(guò)載繼電器跳閘。 電壓暫升通常不會(huì )立即導致設備故障，但系統會(huì )因反復暴露在電壓暫升的環(huán)境中而承受過(guò)大壓力并被削弱。暫升還會(huì )導致斷路器和其他保護裝置誤跳閘。與電壓暫升有關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題是絕緣降級，這會(huì )引起火災，危及水處理廠(chǎng)的安全運行。 電力中斷會(huì )阻礙水處理廠(chǎng)的運行，并縮短電氣設備的使用壽命。此外，許多電機控制電路和過(guò)程控制系統在設計上并不能在電壓中斷后自動(dòng)重新啟動(dòng)。 電壓不平衡會(huì )導致嚴重的設備損壞。例如，當感應電機的電壓不平衡時(shí)，線(xiàn)路電流通常是電壓不平衡程度的幾倍。這意味著(zhù)，電壓不平衡度為 5% 的電機可能會(huì )產(chǎn)生 20% 至 30% 的電流不平衡。額外的電流會(huì )在電機中造成電阻 (I2R) 損耗，導致溫度上升數十攝氏度。 對于水處理廠(chǎng)中的固態(tài)傳感器和控制器來(lái)說(shuō)，電氣噪聲是一個(gè)嚴重的問(wèn)題，因為它們的工作速度很快，功率水平極低。信號電壓越低，可容忍的噪聲電壓幅度就越小。 緩解電能質(zhì)量問(wèn)題 諧波緩解可使用驅動(dòng)隔離變壓器來(lái)實(shí)現，該變壓器具有三個(gè)基本功能：減輕電壓變化、降低驅動(dòng)引起的接地電流和減少共模噪聲。變壓器必須能夠承受非線(xiàn)性負載的熱量。例如 SolaHD 的 23-22-112-2 驅動(dòng)隔離變壓器，該變壓器的輸入電壓為 120 伏或 240 伏，輸出電壓為 120 伏，輸出諧波失真（輸入范圍內滿(mǎn)載時(shí)）為總有效值的 3%。諧波的有效值或均方根值描述了諧波分量在一個(gè)周期內的平均功率。 由于增加了中和線(xiàn)圈，驅動(dòng)隔離變壓器的輸出幾乎沒(méi)有諧波（圖 7）。要了解其工作原理，可將該設備視為斷開(kāi)中和線(xiàn)圈的傳統變壓器。當部分磁通量通過(guò)磁芯的中心腳到達外側腳時(shí)，現在開(kāi)路的線(xiàn)圈就會(huì )產(chǎn)生感應電壓。由于輸出繞組的漏磁通，該電壓具有較高的奇次諧波含量。
圖 7：由于增加了中和線(xiàn)圈，23-22-112-2 驅動(dòng)隔離變壓器的輸出幾乎沒(méi)有諧波。（圖片來(lái)源：SolaHD） 漏磁通可以通過(guò)兩條路徑返回輸出繞組。一條路徑繞過(guò)中和線(xiàn)圈，另一條路徑連接到中和線(xiàn)圈。通過(guò)控制這些磁路的磁阻，可以控制耦合到中和線(xiàn)圈的次級磁通量。中和線(xiàn)圈連接時(shí)其極性是疊加到次級線(xiàn)圈（或輸出線(xiàn)圈）的。 該隔離變壓器的輸出電壓恒定，幾乎完全沒(méi)有諧波。中和線(xiàn)圈中仍然存在諧波；但是，由于次級繞組的磁通會(huì )誘發(fā)這些諧波，因此每個(gè)線(xiàn)圈中的諧波相位大約相差 180°，從而抵消了諧波。 SolaHD 還提供用于減少諧波的 63-23-125-4 250 伏安 (VA) MCR 硬線(xiàn)穩壓器（圖 8）。該穩壓器提供 120 V、208 V、240 V 或 480 V 輸入電壓和 120 V 輸出電壓。輸出諧波失真（在輸入范圍內滿(mǎn)載時(shí)）為總有效值的 3%。
圖 8：63-23-125-4 MCR 硬線(xiàn)穩壓器的輸出諧波失真為總有效值的 3%。（圖片來(lái)源：SolaHD） 該硬線(xiàn)穩壓器采用了 SolaHD 的鐵磁諧振變壓器技術(shù)。鐵磁諧振是一種變壓器設計技術(shù)，可在設備中創(chuàng )建兩個(gè)獨立的磁路，并限制它們之間的耦合。這種設計的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，輸入電流中的諧波電流相對于基波電流來(lái)說(shuō)可忽略不計。變壓器的輸出端采用并行諧振振蕩電路，從主設備汲取電能，以取代輸送到負載的電能。 鐵磁諧振變壓器形成一個(gè)非線(xiàn)性電路，利用諧振來(lái)降低電源電壓的變化，從而為負載提供更穩定的電壓。 該變壓器的磁阻在超過(guò)一定磁通密度（飽和）時(shí)會(huì )突然發(fā)生變化。該變壓器允許一條磁路（諧振磁路）處于飽和狀態(tài)，而另一條磁路則保持不飽和狀態(tài)。以這種方式運行時(shí)，一次電壓的進(jìn)一步變化不會(huì )改變飽和電壓或二次電壓，從而實(shí)現穩壓。 功率調節器用于保護關(guān)鍵工藝系統免受電壓驟降的影響。 具有抗驟降功能的穩壓器和電源還能防止供電電壓下降。 電壓波動(dòng)可以通過(guò) SPD 來(lái)解決，SPD 可以安裝在檢修入口、分支面板或附近的專(zhuān)用敏感電子負載上。當電壓突變時(shí)，SPD 會(huì )將電流導入接地線(xiàn)。當瞬態(tài)脈沖超過(guò)閾值時(shí)，電源會(huì )有效地對地短路，而正常電流則不受影響。 SolaHD 的 STCHSP121BT1RU SPD（圖 9）可為交流電源和低壓信號線(xiàn)提供浪涌抑制。該抑制器具有共模和常模噪聲過(guò)濾以及金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 保護功能。瞬態(tài)響應時(shí)間小于 5 納秒 (ns)，最大浪涌耐受電流為 39 千安培 (kA)。SPD 還能防止雷擊等事件產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓，但不能取代全面的防雷系統。
圖 9：STCHSP121BT1RU SPD 抑制器具有過(guò)濾共模和常模噪聲以及 MOV 保護功能。（圖片來(lái)源：SolaHD） 噪聲緩解可以通過(guò)使用有源跟蹤濾波器（如 SolaHDSTFV025-24L）來(lái)實(shí)現。該裝置可持續跟蹤輸入交流電源線(xiàn)路，并在檢測到高頻噪聲時(shí)做出響應。該濾波器通過(guò)低通電感電容 (LC) 濾波器來(lái)消除低壓/高頻噪聲。LC 電阻器 (LCR) 濾波器則用于降低能耗、高頻噪聲。位于各相和中性線(xiàn)導體上的電感器的大小要能承受線(xiàn)路上的最大電流。STFV025-24L 的響應時(shí)間 <5 ns，典型 A 類(lèi)環(huán)形波（6 kV、200 A、100 kHz）的瞬態(tài)降低 <10 V 峰值。 結語(yǔ) 防止電能質(zhì)量問(wèn)題對提高效率、防止停機和保護寶貴的電力資產(chǎn)不受損害至關(guān)重要。這些問(wèn)題包括諧波失真、電壓驟降和暫升、瞬態(tài)電壓和電氣噪聲。處理這些問(wèn)題需要采取多層次的方法。與 SolaHD 這樣能夠提供一系列保護裝置（包括驅動(dòng)隔離變壓器、硬線(xiàn)穩壓器、電源調節器、SPD 和有源線(xiàn)路濾波器）的供應商合作，可以更容易獲得必要的保護。 |
