無源動態濾波技術在紡織廠的應用

王仕元 周義德 袁佑新 應 杰 邱萬福

（1.中原工學院，河南鄭州，450006；2.武漢理工大學，湖北武漢，430070；3.南京康迪欣電氣成套設備有限公司，江蘇南京，213000；4.南陽紡織集團有限公司，河南南陽，473200）

隨著紡織設備向高速化、自動化、連續化方向發展，工業變頻技術在紡織設備中被廣泛應用。變頻器在對紡織主機設備進行工藝調速和控制的同時，會向電網輸出諧波分量，諧波的存在會影響電網質量，造成正常生產的紡織設備出現電氣故障。例如：作為無功補償的電容器發熱嚴重，時有起火燒毀；低壓斷路器出現不明原因跳閘；電子清紗器誤動作，程序控制元件失靈，電纜和變壓器發熱等，這些故障的發生隨機性大，排查十分艱難復雜［1］。針對以上問題，我們在對紡織廠配電網波形進行檢測的基礎上進行了深入的分析，認為：一是變頻器在驅動交流電動機進行工藝調速的同時也產生了各次電力諧波，變頻器是主要諧波源；二是變頻器在進行交-交（AC/AC）和交-直-交（AC/DC/AC）變換以及拖動負載的過程中，由電力電子器件（IGBT 或SCR）產生諧波；三是目前國內使用的變頻器普遍采用低電平拓撲結構，而低電平拓撲結構變頻器產生的諧波以5 次、7 次、11 次為主，其中，5 次諧波對供電系統的污染及危害性最大。由此得出變頻器在逆變過程中產生的電力諧波是主要影響因素。鑒于以上原因，我們采用無源動態濾波技術對配電網進行了整治。其結果表明：使用無源動態濾波器可有效降低諧波電壓、電流畸變率，同時吸收并降低5 次諧波電流值50%以上，降低變壓器低壓側電流有效值。保證紡織廠配電網運行安全，減少事故發生，提高生產效率，實現降低變壓器低壓側有效電流5%以上的節能效果。

1 紡織車間諧波

1.1 產生原因

通過對紡織車間主要電氣回路檢測可知，紡織車間幾乎各個工序都有諧波產生。主要是因為紡織設備為實現自動調速目的，梳棉、并條、精梳、粗紗、細紗和絡筒等工序均對主電機采用變頻器進行變頻調速控制。例如：粗紗機傳動羅拉、錠翼、筒管和龍筋升降，分別采用4 kW、4 kW、5.5 kW 和0.55 kW 交流異步電機傳動，用4 個變頻器進行集成控制變頻調速，并嵌入工藝卡，采用控制模型和變頻器一體控制，實現粗紗機成紗質量升級上檔，實現高產優質；自動絡筒機采用直流單錠控制傳動，單錠動力驅動中大量采用小功率直流無刷電機和步進電機，需要大量的直流電源和整流設備；自動絡筒機負壓風機由變頻器控制，負壓傳感器實時檢測負壓風道負壓，根據耗氣量大小自動調節吸風電機轉速，達到恒負壓控制節能的目的；梳棉機錫林電機采用專用變頻驅動裝置控制，錫林啟動平穩無沖擊；細紗機對主電機進行變頻，紡紗全過程采用變頻調速技術，使大、中、小紗紡紗張力趨于一致，降低紗線不勻率等。

這些變頻器和整流設備的大量使用，在獲得工藝調速的同時，也向紡織廠配電網釋放了大量的多次諧波。

1.2 諧波的傳播

由于目前大中型棉紡織廠的低壓配電設計，一般都采用自變壓器低壓側至用電設備之間三級放射式配電系統，當機臺設備諧波產生后，除了會影響本機臺電網質量外，還會沿著支線和干線電纜逐級橫向和縱向傳播，直至疊加至變壓器低壓母線側，并通過變壓器傳播至高壓母線柜，并可上傳至上一級電網。諧波也可能通過電氣回路向相鄰設備橫向傳播和疊加。諧波傳播和疊加的過程是一個復雜多變的過程，影響因素極多，可能會在某個瞬時造成較大的諧波沖擊，導致設備故障。

1.3 諧波對紡織生產的影響

諧波會造成控制系統無故停車，粗細聯控制系統故障，絡筒機電子清紗器誤動作，自調勻整系統運行不穩定；使精梳機、粗紗機無故停車，細紗機主電機發熱，輸出轉矩下降；電纜發熱、變壓器發熱等。

諧波會使電氣測量儀表測量不準確，造成計量誤差。諧波會影響電表的計量精度從而導致計量誤差，因為在高次諧波嚴重的情況下，電能表的計量精度下降，導致莫名其妙的丟電現象。精密電子設備會被嚴重干擾，導致不能正常工作，甚至燒毀。

電力線路上有幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時，會在鄰近通信線路中產生干擾電壓，干擾通信系統的工作，對紡織生產智能化造成威脅。

諧波對供電系統的影響是造成電纜發熱，輸送電流能力下降，低壓補償裝置發熱起火，低壓柜發熱噪聲增大，接觸元件故障斷開；供電系統斷路器的開斷能力降低，產生跳閘、誤動作或拒動等故障；使控制系統失靈，運行不穩定，動作失去選擇性，可靠性降低，嚴重威脅電力系統的安全運行。

諧波增加了車間變壓器銅損、磁損、鐵損引起過熱，產生附加損耗，使其絕緣老化導致損壞，噪聲增大，增加了額外電力損耗。低壓側有效電流增加，無用能耗增加。諧波對高壓側的影響主要是增加了供電系統的無用能耗，電網實際收益下降。

1.4 紡織車間諧波特性分析

由于三相整流變壓器采用Y/△或△/Y 的接線形式，這樣可以消除3 的整數倍次的電力諧波，從而使注入電網的諧波電流只有5、7、11……等次諧波［2］，所以奇數次諧波成為紡織車間諧波影響的主要因素。通過對某棉紡廠低壓配電室母線進線側檢測，最大相各次諧波電流及基波電流有效值如圖1 所示。

圖1 601 號變壓器諧波治理前低壓母線電流值

從圖1 可以看出，電流波形畸變嚴重，各次諧波電流所占比例如表1 所示。從表1 可以看出，對紡織車間影響最大的是5 次和7 次諧波，分別占到基波電流的13.1%和6.4%，根據國家標準GB17625.6—2003《電磁兼容限值對額定電流大于16 A 的設備在低壓供電系統中產生的諧波電流的限制》規定，5 次諧波電流占基波電流有效值的比例應不大于10.7%［3］，5 次諧波電流超標，治理時應著重考慮5 次諧波的治理。

表1 各次諧波電流及基波電流有效值（最大相）

2 諧波治理方案比較

目前電力諧波治理技術主要分為有源濾波、無源濾波、無源動態調諧濾波等方式，主要特點性能分析如下。

2.1 有源濾波技術

有源電力濾波器（以下簡稱APF）是一種應用電力電子技術和現代控制理論與方法實現動態抑制諧波與無功補償的第二代濾波技術。APF 產生一個與諧波電流大小相等、方向相反的補償電壓（電流）波，采用抵消法使電網側的電壓（電流）波形只包含基波分量，處理后波形幾乎為純正弦波。

APF 分為串聯型和并聯型。串聯型APF 通過變壓器串聯在電源與非線性負載之間，可等效為一個受控電壓源，APF 產生補償電壓，通過抵消由非線性負載產生的諧波電壓，使電源側的電壓波形為正弦波；并聯型APF 與交流系統并聯，可等效為一個受控電流源，并聯型APF 可產生與非線性負載電流大小相等、方向相反的諧波電流，通過抵消使電源側的電流波形為正弦波。原理圖如圖2 所示。

圖2 有源濾波器接入系統圖

有源濾波器針對諧波電壓和電流波形的抑制效果明顯，可濾除2 次～50 次電壓電流諧波，對改善諧波環境、提高電能質量有好處；主要應用于醫療設備、信號通訊等用電功率較小，對諧波要求高，要求干擾因素小的領域［4］。但是，從有源濾波器在紡織企業的使用效果來看，對電壓畸變率THDu 降低1.4%；電流畸變率THDi 降低20.1%；電流有效值Is 僅降低0.8%［5］；說明有源濾波器針對諧波電壓和電流波形的抑制效果較明顯，對改善諧波環境、提高紡織車間電能質量有好處。但有源濾波器對紡織車間內由變頻器等非線性負載產生的諧波電流吸收效果較差，對諧波環境下的電流有效值下降基本無作用。這也說明了有源濾波方法采用抵消的方法，主要是以抑制諧波的波形為目的，不能吸收諧波電流，節能效果較差。并且設備容量小，造價高，在大容量場合無法使用，對紡織廠的變頻器及大容量分散設備，以減少電流有效值、節能為主的情況不適用。

2.2 無源濾波

無源電力濾波器本質是采用頻域處理方法，將非正弦周期電流分解成傅里葉級數，對某些諧波進行吸收以達到治理的目的。無源電力濾波器主要由電容器和電抗器組成串聯LC 諧振電路，其諧振頻率設定為與需要濾除某主次諧波頻率相接近，對相應頻率諧波電流進行分流，使主次諧波大部分流入無源濾波器，從而起到濾波的目的［6］，原理圖如圖3 所示。無源諧波濾波器的濾波效果好，容量大、成本低、技術成熟、可靠性高，是解決變頻器諧波電流問題的可選設備。但是，無源諧波濾波器只能對特定諧波進行濾波，濾波參數會影響濾波性能，對于諧波次數經常變化的負載濾波效果不好。可能與系統阻抗發生串聯諧振，隨著電源側諧波源的增加，可能會引起濾波器的過載，電網中的某次諧波電壓可能在LC 網絡中產生很大的諧波電流等［7］。紡織廠由于變頻器數量多，分布面積大，工藝參數不斷變化，變頻器調節頻繁，諧波的傳播和疊加過程復雜，諧波參數經常發生變化，LC 參數無法調控和參數的離散化等，造成無源濾波器諧振頻率精度不高，諧振點偏移、濾波效果變差。

圖3 無源濾波器原理圖

2.3 無源動態調諧治理技術

無源動態濾波器拓撲結構如圖4 所示。無源動態濾波器接入變壓器的二次側，主要由諧波/基波變換器、電能變換驅動器和全調諧濾波控制系統等組成［8］。

圖4 無源動態濾波器原理圖

無源動態調諧濾波技術具有吸收諧波電流和抑制諧波電壓/電流波形的雙重特性；通過控制基波與諧波電流的特征值和關聯度，直接吸收諧波電流、實現基波轉換；降低基波電流和電流有效值，使變壓器二次側交流母排基波電流和電流有效值同步降低，實現了諧波動態治理及節電。

諧波動態治理方法適合于小、中、大容量多機臺變頻器拖動、非線性負荷變化影響因素較多，對諧波電流治理要求較高，需要采用實時跟蹤電力諧波變化，實時檢測電力諧波與無功電流，動態治理諧波的場所，適合于紡織企業的諧波治理需要。

采用無源動態調諧濾波技術需要對諧波源進行特性檢測，根據檢測結果量身定制諧波治理方案，確定諧波治理構架回路，設備集成后，通過現場調試的方法，達到諧波治理的目標。

3 紡織企業諧波治理

紡織車間的諧波特點是設備臺數多，裝機功率大，布置分散。變頻器使用的型號、規格、臺數多，產生的5 次諧波畸變率高。隨著紡織設備自動化程度提高，諧波治理刻不容緩。由于不同的主機設備對諧波的敏感性不同，需要針對具體情況進行治理。例如，對諧波極為敏感的絡筒機電子清紗器等部位，宜采用就地濾波的方案進行治理。

由于低壓側配電支路眾多，強、弱電接線復雜，線性負載與非線性負載并存，諧波對相鄰配電支路的干擾在所難免，其中既有電力方面的，也有信號方面的。采用就地補償方式，可消除諧波的臨近干擾，提高電子儀器設備運行的安全性和可靠性。

另外，采用就地補償可以大大減少輸電線路中的諧波含量，降低線路損耗和絕緣老化，避免安全事故發生。按照電力諧波源的頻譜規律，配電線路對諧波電流的等效阻抗約為其對基波阻抗的2 倍，電力變壓器繞組對諧波電流的等效阻抗約為其對基波阻抗的5 倍～10 倍。因此30%的電流諧波等效含量，可導致配電線路損耗額外增加15%～20%，電力變壓器銅損額外增加30%～40%。采用就地補償，及時消除配電線路中的諧波，能有效降低諧波導致的線損及變壓器銅損［9］。

使用中可在絡筒車間動力柜并聯無源動態調諧濾波器。修正絡筒機側電源電壓/電流波形，保護電子清紗器等高精度電子器件的高效工作。缺點是需要的治理設備臺數較多，布置分散，投資較大。

對其他面大量廣的紡織車間工序，宜采用低壓配電室低壓母線側并聯無源動態調諧濾波器的治理方案，綜合治理諧波，降低低壓側電流有效值。針對表1 車間監測數據，采用DTXB-A/B型無源動態調諧濾波器。對該廠2-3 號低壓配電室（601 號）低壓進線側進行諧波治理，濾波器并聯安裝在電容器補償柜之后的交流母排上，設備通過現場安裝調試，諧波治理效果如圖5 所示。諧波治理前后數據對比效果如表2 所示。

圖5 601 號變壓器諧波治理后低壓母線電流值

表2 601 號變壓器低壓進線側（A 相）諧波治理前后效果對比

由表2 可以看出，在諧波動態治理裝置投入運行后，可使低壓母線側5 次諧波電流值平均下降62.4%，低壓母線側電流有效值降低5.1%。5次諧波電流畸變率由13.1%降低至5.1/%，滿足國家規范標準的要求。電流有效值的減少，就意味著電能消耗的減少，設備發熱現象大大減輕，設備誤動作和無故停電事故減少，電機、變壓器等設備振動與噪聲降低，電容器發熱降低。紡織車間進行諧波治理，在改善電網運行質量，減少事故，提高紡織設備利用率的同時，可實現企業綜合節約電能5%的效果。

4 結束語

紡織車間由于大量使用變頻器，會產生嚴重的電力諧波，諧波的存在會導致動力設備運行狀態惡化，自動控制系統失靈、繼電保護與電子檢測設備誤動作，造成供電系統安全性下降，設備無故停車和誤操作，生產效率下降。紡織車間諧波治理主要以減少諧波電壓電流畸變率、降低有效電流值、實現節能為目標，宜采用動態調諧無源濾波器進行治理。可根據車間的電力諧波影響情況，采用車間動力柜就地治理或低壓配電室進線側綜合治理的方案。實例證明，紡織車間采用無源動態調諧濾波器進行諧波治理，在改善電網質量，減少事故，提高設備生產效率的同時，吸收諧波電流60%以上，降低有效電流值5.1%，實現了企業綜合節能5%的效果。