專利名稱：具有節(jié)能降耗治理諧波方法的有源濾波裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有源濾波裝置，尤其涉及一種應(yīng)用于電力電能的質(zhì)量治理技術(shù)領(lǐng)域中的具有節(jié)能降耗治理諧波方法的有源濾波裝置。
背景技術(shù)：
有源濾波裝置為需要提供電源的裝置，其應(yīng)用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的只能固定補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無功；三相電路瞬時(shí)無功功率理論是APF發(fā)展的主要基礎(chǔ)理論；APF有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，前者用的多；并聯(lián)有源濾波裝置主要是治理電流諧波，串聯(lián)有源濾波裝置主要是治理電壓諧波等引起的問題。有源濾波裝置同有源濾波裝置比較，治理效果好，主要可以同時(shí)濾除多次及高次諧波，不會(huì)引起諧振。
其工作原理是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專用設(shè)備，由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個(gè)主要部分組成，指令電流運(yùn)算電路實(shí)時(shí)監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)IGBT或IPM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動(dòng)消除電力諧波，廣泛應(yīng)用于電力、鐵路、冶金、化工、煤炭、造船等領(lǐng)域。
當(dāng)前，市場(chǎng)上的諧波裝置大多為無源濾波裝置，無源濾波裝置存在以下缺點(diǎn):(I)、容易與電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)諧振，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行；(2)、裝置的工作效率不高，僅能濾除大部分濾波，不能提供質(zhì)量的諧波治理效果；(3)、濾波電容容易衰減，導(dǎo)致濾波支路失諧，失去濾波的作用；(4)、壽命不長(zhǎng) ，最好的無源濾波壽命是3 4年，裝置報(bào)廢后，電容會(huì)污染環(huán)境；(5)、無源濾波在功率因數(shù)高的場(chǎng)合不能用，由于濾波的同時(shí)，必須補(bǔ)償無功，這就導(dǎo)致了無源濾波應(yīng)用的局限性；￠)、無源濾波只能消除固定次數(shù)的諧波，若電網(wǎng)中含有的諧波次數(shù)多，增加支路的路數(shù)會(huì)很多，導(dǎo)致成本過高；(7)、無源濾波不能動(dòng)態(tài)的消除濾波，不能很好的平衡無功；(8)、無源濾波受溫度的影響很大，影響裝置的濾波效果。發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種具有節(jié)能降耗治理諧波方法的有源濾波裝置，可迅速、有效地濾除諧波，有效率高，能有效地濾除2 50次諧波，濾除率可達(dá)97%，響應(yīng)時(shí)間< 8ms，防護(hù)等級(jí)為IP40，降低設(shè)備損耗，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具有高度可控性和快速響應(yīng)性，且不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)。
本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
具有節(jié)能降耗治理諧波方法的有源濾波裝置，其結(jié)構(gòu)主要由:主控顯示單元、主電路模塊、變流器模塊、輸出電抗器、輸出濾波回路、控制電路模塊、控制系統(tǒng)、外殼、零線排、非線性負(fù)載等部件構(gòu)成，其中主電路模塊、變流器模塊、輸出電抗器、輸出濾波回路間通過電纜連接，主控顯示單元、控制電路模塊間通過網(wǎng)絡(luò)控制電纜連接，零線排固定在外殼內(nèi)部的橫梁上，所有的零線都固定在零線排上，非線性負(fù)載通過電纜連接于三相電網(wǎng)的另一端，外殼由小日光燈、軸流風(fēng)機(jī)、行程開關(guān)構(gòu)成，其中的小日光燈、軸流風(fēng)機(jī)、行程開關(guān)均固定于外殼的內(nèi)壁上，小日光燈設(shè)置于外殼的內(nèi)部的上頂端。
所述的主電路模塊，其結(jié)構(gòu)由:主斷路器、交流接觸器、預(yù)充電電阻、快速熔斷器、電源進(jìn)線端子構(gòu)成，其中主斷路器、交流接觸器和快速熔斷器通過電纜串聯(lián)，預(yù)充電電阻通過電纜與交流接觸器并聯(lián)，電源進(jìn)線端子一端與主斷路器的上端連接，另一段預(yù)留位置。
所述的變流器模塊，其結(jié)構(gòu)由:IPM模塊、IPM模塊觸發(fā)板、散熱器、直流側(cè)電容器組、預(yù)充電投切回路、電容放電回路、輸出電流互感器組成，其中IPM模塊觸發(fā)板通過螺絲固定在IPM模塊上，IPM模塊用螺絲固定在散熱器上，IPM模塊、直流側(cè)電容器組、預(yù)充電投切回路、電容放電回路間是通過電纜連接，輸出電流互感器為穿心式，直接套在母線上，二次端采樣信號(hào)與控制電路模塊中的運(yùn)算板連接，變流器模塊為整機(jī)工作中最關(guān)鍵的部分，起到了有源逆變與系統(tǒng)交換能量的作用。
所述的輸出電抗器，其進(jìn)線端通過電纜與主電路模塊中的快速熔斷器連接，出線端通過電纜與變流器模塊中的IPM模塊連接，主要起到與系統(tǒng)的能量交換作用，各個(gè)參數(shù)直接決定了工作性能，是變流器模塊能輸出電流到系統(tǒng)的重要連接器件。
所述的輸出濾波回路，其由高頻濾波斷路器、高頻濾波電阻、高頻濾波電容器組成，高頻濾波斷路器、高頻濾波電阻、高頻濾波電容器之間通過電纜依次串聯(lián)的，高頻濾波斷路器進(jìn)線端通過電纜連接在主電路模塊中的主斷路器的出線端。
所述的控制電路模塊，其結(jié)構(gòu)由:主控板、運(yùn)算板、直流電源模塊、觸發(fā)板、主控顯示單元、微型繼電器、IP微型斷路器、二次熔斷器、3P微型斷路器、控制變壓器構(gòu)成，其中主控板內(nèi)嵌于主控顯示單元內(nèi)，主控板、運(yùn)算板、直流電源模塊、觸發(fā)板、主控顯示單元通過網(wǎng)絡(luò)控制電纜相互連接，微型繼電器與IP微型斷路器通過電纜連接，3P微型斷路器設(shè)置于二次熔斷器的下端，二次熔斷器設(shè)置為三個(gè)，每個(gè)上下兩個(gè)引腳分別連接至控制變壓器與3P微型斷路器的引腳上，人機(jī)接口裝置和VAPFl控制模塊連接，控制電路模塊對(duì)VAPFl控制模塊工作的整體控制，VAPFl控制模塊是通過設(shè)備并網(wǎng)連接部分注入與諧波電流大小相等方向相反的補(bǔ)償電流，對(duì)電流諧波進(jìn)行補(bǔ)償。
所述的運(yùn)算板，其內(nèi)部嵌入有軟件，其工作流程為:首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，以保證高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)及所有外設(shè)的初始化狀態(tài)正常；然后系統(tǒng)進(jìn)入到主程序循環(huán)中，系統(tǒng)先進(jìn)行故障自檢，若有故障，進(jìn)行故障處理，保證系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行；若系統(tǒng)無故障發(fā)生，則等待同步采樣控制信號(hào)中斷的發(fā)生，系統(tǒng)進(jìn)入到對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序中進(jìn)行頻率檢測(cè)和A/D轉(zhuǎn)換等；然后進(jìn)行直流側(cè)電壓控制、指令電流計(jì)算、軟啟動(dòng)控制等，若是啟動(dòng)過程，則采用軟啟動(dòng)方式，否則直接輸出PWM控制信號(hào)，此時(shí)完成了對(duì)一個(gè)采樣周期的控制，然后程序返回，進(jìn)行下一次采樣循環(huán)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的循環(huán)控制。
所述的VAPFl控制模塊，其由核心控制系統(tǒng)和硬件電路構(gòu)成，其中核心控制系統(tǒng)由高性能32位定點(diǎn)DSP TMS320LF2812芯片、一片CPLD EPM7256AE芯片及外圍電路組成，采用了以DSP+CPLD為核心的數(shù)字化系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求，直接決定了裝置的性能指標(biāo)和補(bǔ)償效果；其硬件電路由數(shù)據(jù)采集電路、同步檢測(cè)電路、PWM隔離驅(qū)動(dòng)電路、硬件保護(hù)電路、I/O接口電路、通信電路、電源等輔助電路組成。
所述的數(shù)據(jù)采集電路，其主要負(fù)責(zé)電壓、電流等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的處理，由于被檢測(cè)的電壓電流量數(shù)值比較大，數(shù)值遠(yuǎn)超過DSP允許的輸入信號(hào)范圍，需要把這些模擬電信號(hào)降低，并將電流量變換為電壓量，雙極性信號(hào)變成單極性信號(hào)，并進(jìn)行電平匹配，A/D轉(zhuǎn)換后送入DSP進(jìn)行運(yùn)算，其實(shí)現(xiàn)方法為:電壓、電流信號(hào)(包括2個(gè)直流母線電壓、3個(gè)負(fù)載電流及3個(gè)補(bǔ)償器輸出電流)經(jīng)電流型霍爾傳感器變換后，在高精度采樣電阻上形成與原信號(hào)成比例的電壓信號(hào)，再經(jīng)濾波、隔離、電平變換后，得到O 3V模擬量輸入電壓，最后經(jīng)12位A/D變換后進(jìn)入DSP內(nèi)處理。
所述的同步檢測(cè)電路，其主要功能是產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓頻率、相位相同的同步工作脈沖信號(hào)及256倍電網(wǎng)基波頻率的A/D同步采用啟動(dòng)信號(hào)，由于電網(wǎng)的頻率總會(huì)在50Hz上下發(fā)生波動(dòng)，因此為保證電網(wǎng)參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，在測(cè)量過程中需要跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，隨時(shí)修正A/D的采樣周期，以保證采樣速率不變，同步檢測(cè)電路實(shí)質(zhì)是一過零電壓比較器，將一相電源交流輸入信號(hào)變換成方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三相電源電壓的相位檢測(cè)，利用方波信號(hào)的跳變觸發(fā)DSP產(chǎn)生中斷，以便計(jì)算電網(wǎng)頻率和控制DSP的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)刻。
所述的PWM隔離驅(qū)動(dòng)電路，其將VAPFl控制模塊產(chǎn)生的光驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過功率放大處理后，最終輸出6路PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變主電路IGBT的驅(qū)動(dòng)控制，當(dāng)裝置出現(xiàn)過流、短路等故障時(shí)，立即封鎖IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖，并向核心控制系統(tǒng)發(fā)送保護(hù)信號(hào)。
所述的硬件保護(hù)電路，其保證了裝置可靠穩(wěn)定的工作，當(dāng)補(bǔ)償裝置發(fā)生短路、過流、過壓、超溫、欠壓等故障時(shí)，故障信號(hào)經(jīng)過故障檢測(cè)電路處理后，立即封鎖PWM驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，并進(jìn)行報(bào)警等處理，整個(gè)裝置系統(tǒng)自動(dòng)退出運(yùn)行，以保護(hù)系統(tǒng)安全。
所述的主控板，其由一塊主控顯示單元、一塊運(yùn)算板、三塊觸發(fā)板組成。
所述的直流側(cè)電容器組，由個(gè)直流電容器構(gòu)成，陶瓷電阻并聯(lián)于直流側(cè)電容器組的兩端。
本發(fā)明的工作流程為:通過采樣單元采集配電系統(tǒng)的電流信號(hào)(CT信號(hào))和電壓信號(hào)(PT信號(hào))，由互感器檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流信號(hào)，將實(shí)時(shí)電流和電壓信號(hào)傳送到指令運(yùn)算板的微機(jī)處理中心，然后經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后送給控制系統(tǒng)計(jì)算出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，直流電源部分在系統(tǒng)運(yùn)行前先儲(chǔ)能升壓，儲(chǔ)能完備后將信號(hào)(DC信號(hào))反饋到指令運(yùn)算板的微機(jī)處理中心，通過比較和運(yùn)算，指令運(yùn)算板根據(jù)配電系統(tǒng)中的諧波含量和大小給逆變器的觸發(fā)板發(fā)送觸發(fā)指令，逆變器將產(chǎn)生與配電系統(tǒng)中諧波電流大小相同、方向相反的逆變電流輸送到配電系統(tǒng)中，將配電系統(tǒng)中的諧波、無功、負(fù)序等有害電流分量抵消，電網(wǎng)側(cè)三相電流為對(duì)稱正弦波，零線電流為0，實(shí)現(xiàn)治理諧波，改善電能質(zhì)量的目的，最終得到期望的正弦電源電流。
本發(fā)明是一種動(dòng)態(tài)濾除諧波的新型諧波治理設(shè)備，它通過監(jiān)測(cè)電網(wǎng)實(shí)時(shí)諧波狀況，在線計(jì)算出所含諧波分量，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，控制逆變電路，將大小相等、方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中，達(dá)到迅速地動(dòng)態(tài)跟蹤濾除諧波的作用。
由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明具有的有益效果為:
1、可迅速、有效地濾除諧波，效率高，能有效地濾除2 50次諧波，濾除率可達(dá)97% ；
2、既可以濾波又可以進(jìn)行無功補(bǔ)償，可以瞬間高于額定容量進(jìn)行涌流補(bǔ)償，從而消除閃變和電壓波動(dòng)；
3、且可以通過設(shè)備自行判斷得到最佳濾波效果，并能夠自動(dòng)適應(yīng)電網(wǎng)的阻抗變化；
4、能實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)諧波變化，具有高度可控性和快速響應(yīng)性，補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率波動(dòng)影響，濾波特濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；
5、中、英文、圖形液晶顯示，人機(jī)界面清晰友好；
6、具有完善的自診斷和監(jiān)視功能，對(duì)故障可具體定位，方便調(diào)試；
7、響應(yīng)時(shí)間< 8ms，防護(hù)等級(jí)IP40，降低設(shè)備損耗，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具有高度可控性和快速響應(yīng)性。
8、具有設(shè)計(jì)合理、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。


圖1、為本發(fā)明的正面剖視結(jié)構(gòu)示意圖2、為本發(fā)明的后面剖視結(jié)構(gòu)示意圖3、為本發(fā)明運(yùn)算板中軟件的指令流程圖4、為本發(fā)明中的VAPFl控制模塊的結(jié)構(gòu)框圖5、為本發(fā)明中VAPFl控制模塊的電路圖6、為本發(fā)明的工作流程的原理圖7、為本發(fā)明應(yīng)用于醫(yī)院中的諧波治理前后的對(duì)比圖8、為本發(fā)明應(yīng)用于鑄造廠中的諧波治理前后電流波形及頻譜分析圖。
圖1 2中:1-外殼、2-小日光燈、3-軸流風(fēng)機(jī)、4-行程開關(guān)、5-陶瓷電阻、6-直流側(cè)電容器組、7-1PM模塊觸發(fā)板、8-1PM模塊、9-散熱器、10-電流互感器、11_交流接觸器、12-快速熔斷器、13-高頻濾波斷路器、14-主斷路器、15-輸出電抗器、16-電源進(jìn)線端子、17-微型繼電器、18-1P微型斷路器、19-二次熔斷器、20-3P微型斷路器、21-控制變壓器、22-直流電源模塊、23-運(yùn)算板、24-高頻濾波電阻、25-預(yù)充電電阻、26-直流放電電阻、27-零線排、28-高頻濾波電容器；29_電容放電回路；31-VAPF1控制模塊；32_人機(jī)接口裝置；33_非線性負(fù)載；34_主控顯示單元；35_停止指示燈；36_停止按鈕；37_工作指示燈；38-啟動(dòng)按鈕。
具體實(shí)施方式
:
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作過程做進(jìn)一步說明:
如圖1 2所示，具有節(jié)能降耗治理諧波方法的有源濾波裝置，其結(jié)構(gòu)主要由:主控顯示單元34、主電路模塊、變流器模塊、輸出電抗器15、輸出濾波回路、控制電路模塊、控制系統(tǒng)、外殼1、零線排27、非線性負(fù)載33等部件構(gòu)成，其中主電路模塊、變流器模塊、輸出電抗器15、輸出濾波回路間通過電纜連接，主控顯示單元34、控制電路模塊間通過網(wǎng)絡(luò)控制電纜連接，零線排27固定在外殼I內(nèi)部的橫梁上，所有的零線都固定在零線排27上，非線性負(fù)載33通過電纜連接于三相電網(wǎng)的另一端，外殼I由小日光燈2、軸流風(fēng)機(jī)3、行程開關(guān)4構(gòu)成,其中的小日光燈2、軸流風(fēng)機(jī)3、行程開關(guān)4均固定于外殼I的內(nèi)壁上，小日光燈2設(shè)置于外殼I的內(nèi)部的上頂端。
所述的主電路模塊，其結(jié)構(gòu)由:主斷路器14、交流接觸器11、預(yù)充電電阻25、快速熔斷器12、電源進(jìn)線端子16構(gòu)成，其中主斷路器14、交流接觸器11和快速熔斷器12通過電纜串聯(lián)，預(yù)充電電阻25通過電纜與交流接觸器11并聯(lián)，電源進(jìn)線端子16 —端與主斷路器14的上端連接，另一段預(yù)留位置。
所述的變流器模塊，其結(jié)構(gòu)由:IPM模塊8、IPM模塊觸發(fā)板7、散熱器9、直流側(cè)電容器組6、預(yù)充電投切回路、電容放電回路29、輸出電流互感器10組成，其中IPM模塊觸發(fā)板7通過螺絲固定在IPM模塊8上，IPM模塊用8螺絲固定在散熱器9上，IPM模塊8、直流側(cè)電容器組6、預(yù)充電投切回路、電容放電回路29間是通過電纜連接，輸出電流互感器10為穿心式，直接套在母線上，二次端采樣信號(hào)與控制電路模塊中的運(yùn)算板23連接，變流器模塊為整機(jī)工作中最關(guān)鍵的部分，起到了有源逆變與系統(tǒng)交換能量的作用。
所述的輸出電抗器15，其進(jìn)線端通過電纜與主電路模塊中的快速熔斷器12連接，出線端通過電纜與變流器模塊中的IPM模塊8連接，主要起到與系統(tǒng)的能量交換作用，各個(gè)參數(shù)直接決定了工作性能，是變流器模塊能輸出電流到系統(tǒng)的重要連接器件。
所述的輸出濾波回路，其由高頻濾波斷路器13、高頻濾波電阻24、高頻濾波電容器28組成，高頻濾波斷路器13、高頻濾波電阻24、高頻濾波電容器28之間通過電纜依次串聯(lián)的，高頻濾波斷路器13進(jìn)線端通過電纜連接在主電路模塊中的主斷路器14的出線端。
所述的控制電路模塊，其結(jié)構(gòu)由:主控板、運(yùn)算板23、直流電源模塊22、觸發(fā)板、主控顯示單元34、微型繼電器17、1P微型斷路器18、二次熔斷器19、3P微型斷路器20、控制變壓器21構(gòu)成，其中主控板內(nèi)嵌于主控顯示單元34內(nèi)，主控板、運(yùn)算板23、直流電源模塊22、觸發(fā)板、主控顯示單元34通過網(wǎng)絡(luò)控制電纜相互連接，微型繼電器17與IP微型斷路器18通過電纜連接，3P微型斷路器20設(shè)置于二次熔斷器19的下端，二次熔斷器19設(shè)置為三個(gè)，每個(gè)上下兩個(gè)引腳分別連接至控制變壓器21與3P微型斷路器20的引腳上，人機(jī)接口裝置32和VAPFl控制模塊31連接，控制電路模塊對(duì)VAPFl控制模塊31工作的整體控制，VAPFl控制模塊31是通過設(shè)備并網(wǎng)連接部分注入與諧波電流大小相等方向相反的補(bǔ)償電流，對(duì)電流諧波進(jìn)行補(bǔ)償。
如圖3 5所示，所述的運(yùn)算板23，其內(nèi)部嵌入有軟件，其工作流程為:首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，以保證高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)及所有外設(shè)的初始化狀態(tài)正常；然后系統(tǒng)進(jìn)入到主程序循環(huán)中，系統(tǒng)先進(jìn)行故障自檢，若有故障，進(jìn)行故障處理，保證系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行；若系統(tǒng)無故障發(fā)生，則等待同步采樣控制信號(hào)中斷的發(fā)生，系統(tǒng)進(jìn)入到對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序中進(jìn)行頻率檢測(cè)和A/D轉(zhuǎn)換等；然后進(jìn)行直流側(cè)電壓控制、指令電流計(jì)算、軟啟動(dòng)控制等，若是啟動(dòng)過程，則采用軟啟動(dòng)方式，否則直接輸出PWM控制信號(hào)，此時(shí)完成了對(duì)一個(gè)采樣周期的控制，然后程序返回，進(jìn)行下一次采樣循環(huán)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的循環(huán)控制。
所述的VAPFl控制模塊31，其由核心控制系統(tǒng)和硬件電路構(gòu)成，其中核心控制系統(tǒng)由高性能32位定點(diǎn)DSP TMS320LF2812芯片、一片CPLD EPM7256AE芯片及外圍電路組成，采用了以DSP+CPLD為核心的數(shù)字化系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求，直接決定了裝置的性能指標(biāo)和補(bǔ)償效果；其硬件電路由數(shù)據(jù)采集電路、同步檢測(cè)電路、PWM隔離驅(qū)動(dòng)電路、硬件保護(hù)電路、I/O接口電路、通信電路、電源等輔助電路組成。
所述的數(shù)據(jù)采集電路，其主要負(fù)責(zé)電壓、電流等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的處理，由于被檢測(cè)的電壓電流量數(shù)值比較大，數(shù)值遠(yuǎn)超過DSP允許的輸入信號(hào)范圍，需要把這些模擬電信號(hào)降低，并將電流量變換為電壓量，雙極性信號(hào)變成單極性信號(hào)，并進(jìn)行電平匹配，A/D轉(zhuǎn)換后送入DSP進(jìn)行運(yùn)算，其實(shí)現(xiàn)方法為:電壓、電流信號(hào)(包括2個(gè)直流母線電壓、3個(gè)負(fù)載電流及3個(gè)補(bǔ)償器輸出電流)經(jīng)電流型霍爾傳感器變換后，在高精度采樣電阻上形成與原信號(hào)成比例的電壓信號(hào)，再經(jīng)濾波、隔離、電平變換后，得到O 3V模擬量輸入電壓，最后經(jīng)12位A/D變換后進(jìn)入DSP內(nèi)處理。
所述的同步檢測(cè)電路，其主要功能是產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓頻率、相位相同的同步工作脈沖信號(hào)及256倍電網(wǎng)基波頻率的A/D同步采用啟動(dòng)信號(hào)，由于電網(wǎng)的頻率總會(huì)在50Hz上下發(fā)生波動(dòng)，因此為保證電網(wǎng)參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，在測(cè)量過程中需要跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，隨時(shí)修正A/D的采樣周 期，以保證采樣速率不變，同步檢測(cè)電路實(shí)質(zhì)是一過零電壓比較器，將一相電源交流輸入信號(hào)變換成方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三相電源電壓的相位檢測(cè)，利用方波信號(hào)的跳變觸發(fā)DSP產(chǎn)生中斷，以便計(jì)算電網(wǎng)頻率和控制DSP的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)刻。
所述的PWM隔離驅(qū)動(dòng)電路，其將VAPFl控制模塊31產(chǎn)生的光驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過功率放大處理后，最終輸出6路PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變主電路IGBT的驅(qū)動(dòng)控制，當(dāng)裝置出現(xiàn)過流、短路等故障時(shí)，立即封鎖IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖，并向核心控制系統(tǒng)發(fā)送保護(hù)信號(hào)。
所述的硬件保護(hù)電路，其保證了裝置可靠穩(wěn)定的工作，當(dāng)補(bǔ)償裝置發(fā)生短路、過流、過壓、超溫、欠壓等故障時(shí)，故障信號(hào)經(jīng)過故障檢測(cè)電路處理后，立即封鎖PWM驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，并進(jìn)行報(bào)警等處理，整個(gè)裝置系統(tǒng)自動(dòng)退出運(yùn)行，以保護(hù)系統(tǒng)安全。
所述的主控板，其由一塊主控顯示單元34、一塊運(yùn)算板23、三塊觸發(fā)板組成。
所述的直流側(cè)電容器組6，由18個(gè)直流電容器構(gòu)成，陶瓷電阻5并聯(lián)于直流側(cè)電容器組6的兩端。
如圖6所示，本發(fā)明的工作流程為:通過采樣單元采集配電系統(tǒng)的電流信號(hào)(CT信號(hào))和電壓信號(hào)(PT信號(hào))，由互感器檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流信號(hào)，將實(shí)時(shí)電流和電壓信號(hào)傳送到指令運(yùn)算板23的微機(jī)處理中心，然后經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后送給控制系統(tǒng)計(jì)算出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，直流電源部分在系統(tǒng)運(yùn)行前先儲(chǔ)能升壓，儲(chǔ)能完備后將信號(hào)(DC信號(hào))反饋到指令運(yùn)算板23的微機(jī)處理中心，通過比較和運(yùn)算，指令運(yùn)算板23根據(jù)配電系統(tǒng)中的諧波含量和大小給逆變器的觸發(fā)板發(fā)送觸發(fā)指令，逆變器將產(chǎn)生與配電系統(tǒng)中諧波電流大小相同、方向相反的逆變電流輸送到配電系統(tǒng)中，將配電系統(tǒng)中的諧波、無功、負(fù)序等有害電流分量抵消，電網(wǎng)側(cè)三相電流為對(duì)稱正弦波，零線電流為0，實(shí)現(xiàn)治理諧波，改善電能質(zhì)量的目的，最終得到期望的正弦電源電流。
如圖7所示，本發(fā)明應(yīng)用于某醫(yī)院的實(shí)施例，在醫(yī)院有大量的大型醫(yī)療設(shè)備、照明設(shè)備和UPS等，在運(yùn)行中產(chǎn)生大量的3、5、7次等諧波，大量的諧波使電流產(chǎn)生的畸變，干擾了高精密的醫(yī)療設(shè)備的正常工作，受諧波的影響，經(jīng)常出現(xiàn)計(jì)算機(jī)的死機(jī)現(xiàn)象和儲(chǔ)存信息的丟失，而本發(fā)明直接連接于醫(yī)院的電力干路中，其處理過程為:
主要負(fù)載為精密醫(yī)療設(shè)備、加速器、電子檢測(cè)設(shè)備、熒光燈、LED大屏、UPS等；
電能質(zhì)量超標(biāo)項(xiàng)目為諧波電流；
A相電流有效值157.1安培、電流諧波畸變率為48.2% ；B相電流有效值160.8安培、電流諧波畸變率為38.3%;C相電流有效值164.2安培、總電流諧波畸變率為35.6%;
治理措施
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況和測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，諧波主要由精密醫(yī)療設(shè)備和照明設(shè)備產(chǎn)生，采用本發(fā)明裝置，補(bǔ)償容量為150A，自動(dòng)跟蹤治理負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，并補(bǔ)償部分無功功率;
治理效果
電流總畸變率為降至3.9%，治理前波形非正弦波，治理后波形為正弦波，可見濾波器投入后，系統(tǒng)諧波得到了很好的抑制，提升供電系統(tǒng)的可靠性，消除了系統(tǒng)諧波對(duì)配電系統(tǒng)的危害，確保精密醫(yī)療設(shè)備的正常運(yùn)行，提高了功率因數(shù)。
如圖8所示，本發(fā)明應(yīng)用于某鑄造廠的實(shí)施例，狀況分析:
該廠主要負(fù)荷為中頻爐，其六脈相整流橋?yàn)榈湫偷闹C波源；
由于變壓器超負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致電壓畸變，從而諧波也大大增加；
六脈相整流的控制使得晶閘管的換相過程中電流的變化率極大，整個(gè)負(fù)荷的波形呈現(xiàn)直角變化率，波形系數(shù)較差，諧波畸變嚴(yán)重；
功率因數(shù)不能滿足要求時(shí)僅僅是由于波形系數(shù)較差引起，不能采用常規(guī)的無功功率補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償；
在中頻爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，電流總畸變率為22.5%，主要諧波電流依次為5次，7次，11次，13次；
單項(xiàng)電流有效值761安培；
治理措施
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在中頻爐配電柜旁并聯(lián)安裝一臺(tái)補(bǔ)償容量為200A的電力有源濾波器(VAPF1-3L-200A/400V)；
治理效果
負(fù)載運(yùn)行過程中電流穩(wěn)定，單相電流有效值726安培，與補(bǔ)償前相比電流有效值明顯降低，從而降低用電成本；
在中頻爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，電流總畸變率為降至5.78%，各次諧波的畸變率都在1.5%以內(nèi)，大大降低了諧波含量。
本發(fā)明是一種動(dòng)態(tài)濾除諧波的新型諧波治理設(shè)備，通過監(jiān)測(cè)電網(wǎng)實(shí)時(shí)諧波狀況，在線計(jì)算出所含諧波分量，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，控制逆變電路，將大小相等、方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中，達(dá)到迅速地動(dòng)態(tài)跟蹤濾除諧波的作用。
權(quán)利要求
1.具有節(jié)能降耗治理諧波方法的有源濾波裝置，其結(jié)構(gòu)主要由:主控顯示單元[34]、主電路模塊、變流器模塊、輸出電抗器[15]、輸出濾波回路、控制電路模塊、控制系統(tǒng)、外殼[1]、零線排[27]、非線性負(fù)載[33]部件構(gòu)成，其特征在于:其中主電路模塊、變流器模塊、輸出電抗器[15]、輸出濾波回路間通過電纜連接，主控顯示單元[34]、控制電路模塊間通過網(wǎng)絡(luò)控制電纜連接，零線排[27]固定在外殼[I]內(nèi)部的橫梁上，所有的零線都固定在零線排[27]上，非線性負(fù)載[33]通過電纜連接于三相電網(wǎng)的另一端，外殼[I]由小口光燈[2]、軸流風(fēng)機(jī)[3]、行程開關(guān)[4]構(gòu)成，其中的小口光燈[2]、軸流風(fēng)機(jī)[3]、行程開關(guān)[4]均固定于外殼[I]的內(nèi)壁上，小口光燈[2]設(shè)置于外殼[I]的內(nèi)部的上頂端。
2.如權(quán)利要求1所述的具有節(jié)能降耗治理諧波方法的有源濾波裝置，其特征在于:所述的變流器模塊，其結(jié)構(gòu)由:IPM模塊[8]、IPM模塊觸發(fā)板[7]、散熱器[9]、直流側(cè)電容器組[6]、預(yù)充電投切回路、電容放電回路[29]、輸出電流互感器[10]組成，其中IPM模塊觸發(fā)板[7]通過螺絲固定在IPM模塊[8]上，IPM模塊用[8]螺絲固定在散熱器[9]上，IPM模塊[8]、直流側(cè)電容器組[6]、預(yù)充電投切回路、電容放電回路[29]間通過電纜連接，輸出電流互感器[10]為穿心式，直接套在母線上，二次端采樣信號(hào)與控制電路模塊中的運(yùn)算板[23]連接，變流 器模塊為整機(jī)工作中最關(guān)鍵的部分，起到了有源逆變與系統(tǒng)交換能量的作用。
3.如權(quán)利要求1所述的具有節(jié)能降耗治理諧波方法的有源濾波裝置，其特征在于:所述的控制電路模塊，其結(jié)構(gòu)由:主控板、運(yùn)算板[23]、直流電源模塊[22]、觸發(fā)板、主控顯示單元[34]、微型繼電器[17]、1P微型斷路器[18]、二次熔斷器[19]、3P微型斷路器[20]、控制變壓器[21]構(gòu)成，其中主控板內(nèi)嵌于主控顯示單元[34]內(nèi)，主控板、運(yùn)算板[23]、直流電源模塊[22]、觸發(fā)板、主控顯示單元[34]通過網(wǎng)絡(luò)控制電纜相互連接，微型繼電器[17]與IP微型斷路器[18]通過電纜連接，3P微型斷路器[20]設(shè)置于二次熔斷器[19]的下端，二次熔斷器[19]設(shè)置為三個(gè)，每個(gè)上下兩個(gè)引腳分別連接至控制變壓器[21]與3P微型斷路器[20]的引腳上，人機(jī)接口裝置[32]和VAPFl控制模塊[31]連接，控制電路模塊對(duì)VAPFl控制模塊[31]工作的整體控制，VAPFl控制模塊[31]是通過設(shè)備并網(wǎng)連接部分注入與諧波電流大小相等方向相反的補(bǔ)償電流，對(duì)電流諧波進(jìn)行補(bǔ)償。
4.如權(quán)利要求2或3所述的具有節(jié)能降耗治理諧波方法的有源濾波裝置，其特征在于:所述的運(yùn)算板[23]，其內(nèi)部嵌入有軟件，其工作流程為:首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，以保證高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)及所有外設(shè)的初始化狀態(tài)正常；然后系統(tǒng)進(jìn)入到主程序循環(huán)中，系統(tǒng)先進(jìn)行故障自檢，若有故障，進(jìn)行故障處理，保證系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行；若系統(tǒng)無故障發(fā)生，則等待同步采樣控制信號(hào)中斷的發(fā)生，系統(tǒng)進(jìn)入到對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序中進(jìn)行頻率檢測(cè)和A/D轉(zhuǎn)換等；然后進(jìn)行直流側(cè)電壓控制、指令電流計(jì)算、軟啟動(dòng)控制等，若是啟動(dòng)過程，則采用軟啟動(dòng)方式，否則直接輸出PWN控制信號(hào)，此時(shí)完成了對(duì)一個(gè)采樣周期的控制，然后程序返回，進(jìn)行下一次采樣循環(huán)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的循環(huán)控制。
5.如權(quán)利要求3所述的具有節(jié)能降耗治理諧波方法的有源濾波裝置，其特征在于:所述的VAPFl控制模塊[31]，其由核心控制系統(tǒng)和硬件電路構(gòu)成，其中核心控制系統(tǒng)由高性能32位定點(diǎn)DSPTMS320LF2812芯片、一片CPLD EPM7256AE芯片及外圍電路組成，采用了以DSP+CPLD為核心的數(shù)字化系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求，直接決定了裝置的性能指標(biāo)和補(bǔ)償效果；其硬件電路由數(shù)據(jù)采集電路、同步檢測(cè)電路、PWM隔離驅(qū)動(dòng)電路、硬件保護(hù)電路、I/o接口電路、通信電路、電源組成。
6.如權(quán)利要求5所述的具有節(jié)能降耗治理諧波方法的有源濾波裝置，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)采集電路，其主要負(fù)責(zé)電壓、電流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的處理，由于被檢測(cè)的電壓電流量數(shù)值比較大，數(shù)值遠(yuǎn)超過DSP允許的輸入信號(hào)范圍，需要把這些模擬電信號(hào)降低，并將電流量變換為電壓量，雙極性信號(hào)變成單極性信號(hào)，并進(jìn)行電平匹配，A/D轉(zhuǎn)換后送入DSP進(jìn)行運(yùn)算，其實(shí)現(xiàn)方法為:電壓、電流信號(hào)(包括2個(gè)直流母線電壓、3個(gè)負(fù)載電流及3個(gè)補(bǔ)償器輸出電流)經(jīng)電流型霍爾傳感器變換后，在高精度采樣電阻上形成與原信號(hào)成比例的電壓信號(hào)，再經(jīng)濾波、隔離、電平變換后，得到O 3V模擬量輸入電壓，最后經(jīng)12位A/D變換后進(jìn)入DSP內(nèi)處理。
7.如權(quán)利要求5所述的具有節(jié)能降耗治理諧波方法的有源濾波裝置，其特征在于:所述的同步檢測(cè)電路，其主要功能是產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓頻率、相位相同的同步工作脈沖信號(hào)及256倍電網(wǎng)基波頻率的A/D同步采用啟動(dòng)信號(hào)，由于電網(wǎng)的頻率總會(huì)在50Hz上下發(fā)生波動(dòng)，因此為保證電網(wǎng)參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，在測(cè)量過程中需要跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，隨時(shí)修正A/D的采樣周期，以保證采樣速率不變，同步檢測(cè)電路實(shí)質(zhì)是一過零電壓比較器，將一相電源交流輸入信號(hào)變換成方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三相電源電壓的相位檢測(cè)，利用方波信號(hào)的跳變觸發(fā)DSP產(chǎn)生中斷，以便計(jì)算電網(wǎng)頻率和控制DSP的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)刻。
8.如權(quán)利要求5所述的具有節(jié)能降耗治理諧波方法的有源濾波裝置，其特征在于:所述的PWM隔離 驅(qū)動(dòng)電路，其將VAPFl控制模塊[31]產(chǎn)生的光驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過功率放大處理后，最終輸出6路PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變主電路IGBT的驅(qū)動(dòng)控制，當(dāng)裝置出現(xiàn)過流、短路故障時(shí)，立即封鎖IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖，并向核心控制系統(tǒng)發(fā)送保護(hù)信號(hào)。
9.如權(quán)利要求5所述的具有節(jié)能降耗治理諧波方法的有源濾波裝置，其特征在于:所述的硬件保護(hù)電路，其保證了裝置可靠穩(wěn)定的工作，當(dāng)補(bǔ)償裝置發(fā)生短路、過流、過壓、超溫、欠壓故障時(shí)，故障信號(hào)經(jīng)過故障檢測(cè)電路處理后，立即封鎖PWM驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，并進(jìn)行報(bào)警處理，控制整個(gè)裝置系統(tǒng)自動(dòng)退出運(yùn)行，以保護(hù)系統(tǒng)安全。
10.如權(quán)利要求1所述的具有節(jié)能降耗治理諧波方法的有源濾波裝置，其特征在于:其工作流程為:通過采樣單元采集配電系統(tǒng)的電流信號(hào)(CT信號(hào))和電壓信號(hào)(PT信號(hào))，由互感器檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流信號(hào)，將實(shí)時(shí)電流和電壓信號(hào)傳送到指令運(yùn)算板[23]的微機(jī)處理中心，然后經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后送給控制系統(tǒng)計(jì)算出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，直流電源部分在系統(tǒng)運(yùn)行前先儲(chǔ)能升壓，儲(chǔ)能完備后將信號(hào)(DC信號(hào))反饋到指令運(yùn)算板[23]的微機(jī)處理中心，通過比較和運(yùn)算，指令運(yùn)算板[23]根據(jù)配電系統(tǒng)中的諧波含量和大小給逆變器的觸發(fā)板發(fā)送觸發(fā)指令，逆變器將產(chǎn)生與配電系統(tǒng)中諧波電流大小相同、方向相反的逆變電流輸送到配電系統(tǒng)中，將配電系統(tǒng)中的諧波、無功、負(fù)序有害電流分量抵消，電網(wǎng)測(cè)三相電流為對(duì)稱正弦波，零線電流為0，實(shí)現(xiàn)治理諧波，改善電能質(zhì)量的目的，最終得到期望的正弦電源電流。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有節(jié)能降耗治理諧波方法的有源濾波裝置，屬于濾波技術(shù)領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)主要由主控顯示單元、主電路模塊、變流器模塊、輸出電抗器、輸出濾波回路、控制電路模塊、控制系統(tǒng)、零線排、非線性負(fù)載等構(gòu)成，主電路模塊、變流器模塊、輸出電抗器、輸出濾波回路間通過電纜連接，主控顯示單元、控制電路模塊間通過網(wǎng)絡(luò)控制電纜連接，非線性負(fù)載通過電纜連接于三相電網(wǎng)的另一端；本發(fā)明為動(dòng)態(tài)濾除諧波的新型諧波治理設(shè)備，通過監(jiān)測(cè)電網(wǎng)實(shí)時(shí)諧波狀況，在線計(jì)算出所含諧波分量，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，將大小相等、方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中，達(dá)到迅速、能有效地濾除2～50次諧波，濾除率可達(dá)97％，且不受系統(tǒng)阻抗的影響。
文檔編號(hào)H02J3/01GK103199530SQ20121000237
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者陳茂, 包志勇 申請(qǐng)人:上海韋歐韋濾波設(shè)備有限公司