作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

電費(fèi)成本一般會(huì)占到水處理廠運(yùn)營(yíng)預(yù)算的 40%，因此，工廠必須以最高效率運(yùn)行。然而，工廠的水泵、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、照明設(shè)備和壓縮機(jī)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(dǎo)致效率低下、停機(jī)和設(shè)備損壞。

電能質(zhì)量問(wèn)題緩解設(shè)備可解決水處理廠的問(wèn)題。驅(qū)動(dòng)隔離變壓器、硬接線穩(wěn)壓器、電力線調(diào)節(jié)器、浪涌保護(hù)裝置 (SPD) 和有源跟蹤濾波器等產(chǎn)品可提高效率、防止停機(jī)并保護(hù)寶貴的電力資產(chǎn)免受損壞。

本文簡(jiǎn)要介紹了水處理廠電氣設(shè)備設(shè)計(jì)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(shè)備，這些設(shè)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

雖然水處理廠的能源供應(yīng)總體上是可靠的，但電能質(zhì)量問(wèn)題經(jīng)常出現(xiàn)。此類問(wèn)題表現(xiàn)為不必要的諧波失真、電壓驟降和暫升以及電氣噪聲。

水處理廠的電能質(zhì)量挑戰(zhàn)可能來(lái)自雷電等外部來(lái)源，也可能來(lái)自電氣設(shè)備本身等內(nèi)部來(lái)源。例如，當(dāng)非線性負(fù)載以脈沖方式消耗電流時(shí)，質(zhì)量較差的變速驅(qū)動(dòng)器就會(huì)產(chǎn)生諧波失真（圖 2）。諧波迫使導(dǎo)體承載 60 赫茲以外的非標(biāo)準(zhǔn)頻率電流。

圖 2：當(dāng)非線性負(fù)載以脈沖方式汲取電流，并迫使導(dǎo)體承載 60 赫茲以外的非標(biāo)準(zhǔn)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)生非線性電流，電氣設(shè)備會(huì)產(chǎn)生基頻整數(shù)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(tǒng)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、非線性電子開關(guān)負(fù)載中的大電流開關(guān)引起的。

另一種諧波現(xiàn)象，即電壓缺口，是由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)啟動(dòng)器和電源等水處理設(shè)備中的電流整流器開關(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(dǎo)電 SCR 傳輸?shù)搅硪粋€(gè) SCR 的短暫時(shí)間內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生短路。新的 SCR 開始導(dǎo)通，而之前的 SCR 則繼續(xù)短暫導(dǎo)通。這會(huì)導(dǎo)致相位短路，通常持續(xù)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?yàn)閾Q向角度并不是恒定的，它會(huì)隨著負(fù)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(nèi)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(xù)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(nèi)暫時(shí)上升（圖 4）。這些干擾可能是由于水處理廠關(guān)閉大型設(shè)備負(fù)載或功率因數(shù)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(xù)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)栴}和噪聲

電氣設(shè)備和配電系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)其他電壓?jiǎn)栴}，包括瞬態(tài)電壓、中斷和不平衡。瞬態(tài)電壓亦稱電壓尖峰，是電壓的大幅上升，持續(xù)時(shí)間只有幾微秒（圖 5）。雷擊、機(jī)械開關(guān)、電容器或電容器組開關(guān)、電力系統(tǒng)在故障后重新通電、變壓器開關(guān)以及某些設(shè)備的突然停機(jī)都是瞬態(tài)的來(lái)源。

圖 5：瞬態(tài)是電壓的大幅上升，持續(xù)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(xù)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為持續(xù)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(shè)備故障。

電壓不平衡是三相系統(tǒng)最常見的問(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(fù)載過(guò)重，該相位的電壓就會(huì)降低，從而導(dǎo)致不平衡。

任何設(shè)備在開啟或關(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(duì)工廠設(shè)備的影響

電能質(zhì)量問(wèn)題有多種表現(xiàn)形式，會(huì)影響水處理廠設(shè)備的效率、可靠性和使用壽命。例如，諧波會(huì)影響整個(gè)水處理廠的設(shè)備，使中性線和變壓器過(guò)熱、斷路器跳閘、中性線電流過(guò)大、降低系統(tǒng)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(shè)施中敏感的邏輯和通信電子設(shè)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(dǎo)致工作溫度升高。

電壓驟降時(shí)會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題包括使用交流電機(jī)的水泵在恒定扭矩負(fù)載下會(huì)消耗更多電流，降低效率，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致過(guò)載繼電器跳閘。

電壓暫升通常不會(huì)立即導(dǎo)致設(shè)備故障，但系統(tǒng)會(huì)因反復(fù)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(dǎo)致斷路器和其他保護(hù)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(jí)，這會(huì)引起火災(zāi)，危及水處理廠的安全運(yùn)行。

電力中斷會(huì)阻礙水處理廠的運(yùn)行，并縮短電氣設(shè)備的使用壽命。此外，許多電機(jī)控制電路和過(guò)程控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)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(dǎo)致嚴(yán)重的設(shè)備損壞。例如，當(dāng)感應(yīng)電機(jī)的電壓不平衡時(shí)，線路電流通常是電壓不平衡程度的幾倍。這意味著，電壓不平衡度為 5% 的電機(jī)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(jī)中造成電阻 (I^2^R) 損耗，導(dǎo)致溫度上升數(shù)十?dāng)z氏度。

對(duì)于水處理廠中的固態(tài)傳感器和控制器來(lái)說(shuō)，電氣噪聲是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兊墓ぷ魉俣群芸?，功率水平極低。信號(hào)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(qū)動(dòng)隔離變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，該變壓器具有三個(gè)基本功能：減輕電壓變化、降低驅(qū)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性負(fù)載的熱量。例如 SolaHD 的 [23-22-112-2] 驅(qū)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(nèi)滿載時(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(nèi)的平均功率。

由于增加了中和線圈，驅(qū)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(shè)備視為斷開中和線圈的傳統(tǒng)變壓器。當(dāng)部分磁通量通過(guò)磁芯的中心腳到達(dá)外側(cè)腳時(shí)，現(xiàn)在開路的線圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)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：由于增加了中和線圈，23-22-112-2 驅(qū)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)中和線圈，另一條路徑連接到中和線圈。通過(guò)控制這些磁路的磁阻，可以控制耦合到中和線圈的次級(jí)磁通量。中和線圈連接時(shí)其極性是疊加到次級(jí)線圈（或輸出線圈）的。

該隔離變壓器的輸出電壓恒定，幾乎完全沒(méi)有諧波。中和線圈中仍然存在諧波；但是，由于次級(jí)繞組的磁通會(huì)誘發(fā)這些諧波，因此每個(gè)線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 硬線穩(wěn)壓器（圖 8）。該穩(wěn)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(nèi)滿載時(shí)）為總有效值的 3%。

圖 8：63-23-125-4 MCR 硬線穩(wěn)壓器的輸出諧波失真為總有效值的 3%。（圖片來(lái)源：SolaHD）

該硬線穩(wěn)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(shè)計(jì)技術(shù)，可在設(shè)備中創(chuàng)建兩個(gè)獨(dú)立的磁路，并限制它們之間的耦合。這種設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，輸入電流中的諧波電流相對(duì)于基波電流來(lái)說(shuō)可忽略不計(jì)。變壓器的輸出端采用并行諧振振蕩電路，從主設(shè)備汲取電能，以取代輸送到負(fù)載的電能。

鐵磁諧振變壓器形成一個(gè)非線性電路，利用諧振來(lái)降低電源電壓的變化，從而為負(fù)載提供更穩(wěn)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(yùn)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(xiàn)穩(wěn)壓。

功率調(diào)節(jié)器用于保護(hù)關(guān)鍵工藝系統(tǒng)免受電壓驟降的影響。

具有抗驟降功能的穩(wěn)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用敏感電子負(fù)載上。當(dāng)電壓突變時(shí)，SPD 會(huì)將電流導(dǎo)入接地線。當(dāng)瞬態(tài)脈沖超過(guò)閾值時(shí)，電源會(huì)有效地對(duì)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(hào)線提供浪涌抑制。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(hù)功能。瞬態(tài)響應(yīng)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(tǒng)。

圖 9：STCHSP121BT1RU SPD 抑制器具有過(guò)濾共模和常模噪聲以及 MOV 保護(hù)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 SolaHD[STFV025-24L] ）來(lái)實(shí)現(xiàn)。該裝置可持續(xù)跟蹤輸入交流電源線路，并在檢測(cè)到高頻噪聲時(shí)做出響應(yīng)。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。位于各相和中性線導(dǎo)體上的電感器的大小要能承受線路上的最大電流。STFV025-24L 的響應(yīng)時(shí)間 <5 ns，典型 A 類環(huán)形波（6 kV、200 A、100 kHz）的瞬態(tài)降低 <10 V 峰值。

結(jié)語(yǔ)

防止電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)提高效率、防止停機(jī)和保護(hù)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(hù)裝置（包括驅(qū)動(dòng)隔離變壓器、硬線穩(wěn)壓器、電源調(diào)節(jié)器、SPD 和有源線路濾波器）的供應(yīng)商合作，可以更容易獲得必要的保護(hù)。