有源谐波滤波器减少散热器生产中的闪烁 - 比利时
| 设施 | 散热器厂— 55,000 平方米, 比利时. 六条生产线, ~5,000 个散热器/天 |
| 干扰负载 | 压力机, 缝焊机, 点焊机——间歇性大功率负载 |
| 之前闪烁 | PST 达到峰值 1.6 — 测量 2009 |
| 要求公用事业限制 | PST 95第 1 个百分位数 ≤ 0.7 - 在 50160 / 符合IEC 61000-3-7 框架 |
| 解 | 六次有源谐波滤波器 (AHF) 单位—— 2.1 MVAr 总连续无功补偿 |
| 之后闪烁 | PST 始终低于 0.63 — 独立验证 |
| 实现减少 | PST 减少了超过 60% - 从 1.6 到下面 0.63 |
| 副作用 | 稳定的生产环境——所有六条生产线的电压波动同时减少 |
01 背景——工业焊接引起的闪烁
闪烁（由快速电压波动引起的光输出的可感知变化）是工业环境中最邻近敏感的电能质量问题之一. 与谐波不同, 直接影响设备, 闪烁主要是人类感知问题: 工业过程引起的电压波动可能会导致连接到同一配电网络的其他客户的家庭和办公室出现可见光调制, 即使当那些顾客’ 自己的设备完全不打扰.
焊接工艺是工业中最常见的闪烁源之一. 电阻点焊机和缝焊机拉力大, 重复的无功电流脉冲——每个焊接脉冲在不到一秒的时间内消耗数千安培的电流, 在公共耦合点产生电压骤降，以由焊接重复率确定的速率调制电源电压. 当重复率落在 1–15 Hz 范围内（IEC 闪烁计表征的人类视觉灵敏度峰值的频率范围）时，同一配电变压器上的所有客户都可以感知到所产生的光调制.
同时运行 6 条焊接生产线的散热器工厂不仅会为其近邻带来噪音或排放问题，而且还会成为并网干扰源，影响连接到同一中压/低压变压器的每个客户. 当当地社区发展并且新客户连接到同一台变压器时, 闪烁余量缩小——当其他来源的背景闪烁增加时，以前可接受的内容变得不合规. 这正是这里发生的事情: 社区扩张迫使公用事业公司收紧闪烁排放限制, 使以前容忍的排放变得不可接受.
02 问题——PST 1.6 反对限制 0.7
比利时的散热器工厂 — 55,000 平方米的设施生产约 5,000 六条生产线每天的散热器数量——从电能质量的角度来看，负载组合本身就要求很高. 压力机, 缝焊机, 和点焊机在所有六条生产线上同时运行, 每个都吸取大的间歇性无功电流脉冲，在馈电变电站产生显着的电压降.
现场测量 2009 显示PST (短期闪烁严重程度) 峰值达到的值 1.6. EN 50160 公共耦合中压点闪烁的规划限值通常为 PST ≤ 0.7 评估为一周观察期内 95% 的值. 该工厂超出了这一限制一倍以上 2 在峰值条件下 - 当多条焊接线同时运行时，会导致邻近的商业和住宅楼宇出现可见光闪烁.
本案中提到的挑战—— “快速波动的负载和许多不同的负载模式” — 是缓解焊接闪烁的根本困难. 一台焊机可产生可预测的结果, 重复闪烁特征. 六条焊接线同时运行，生产出复杂的, 不同重复率和相位的重叠电流脉冲的随机组合 - 变电站产生的电压波动既不是周期性的，也不能单独根据各个负载特性进行预测. 适用于一种运营场景的补偿系统可能不适用于另一种运营场景. 这就是为什么 AHF 响应时间被特别列为关键要求的原因: 系统必须实时跟踪实际电压波动, 不是预测或平均负载曲线.
03 解决方案 — 有源谐波滤波 2.1 兆乏
为什么选择有源谐波滤波器——而不是 SVC 或无源滤波器
选择的解决方案是六有源谐波滤波器 (AHF) 单位总共提供 2.1 MVAr连续无功补偿. 选择 AHF 方法而不是无源 LC 滤波器等替代方案, 晶闸管控制的 SVC, 或标准功率因数校正电容器 - 出于特定原因: 响应时间.
- 无源 LC 滤波器 — 固定无功补偿, 调谐到特定的谐波频率. 无法响应随机, 六条同时焊接线的多模式负载波动
- 晶闸管控制的 SVC — 在每个半周期更新其发射角度 (8.3 女士于 60 赫兹, 10 女士于 50 赫兹). 适用于脉冲持续时间短至几个周期的焊接负载, SVC 响应延迟意味着补偿在干扰已经发生后到达 - 如 IPQDF PQ 概述关于闪烁缓解的文章中所述
- 有源谐波滤波器 (AHF) — 使用高频开关的 IGBT 逐周期注入精确控制的无功电流. 响应时间为亚毫秒级 — 足够快以跟踪实际焊接电流波形并在其在变电站总线上产生可测量的电压降之前消除其无功分量
有源谐波滤波器连续测量非线性负载消耗的电流. 数字信号处理器计算, 实时, 负载吸收的无功电流和谐波电流分量. 然后，AHF 向网络中注入相等且相反的无功电流和谐波电流 — 有效地使焊机对供电网络表现为电阻负载. 连接点的电压稳定，因为大无功电流脉冲现在在 AHF 内循环，而不是从网络阻抗汲取. 结果: 从源头上消除了引起闪烁的电压降, 无论哪种焊接线组合同时运行.
系统配置
该装置由六个 AHF 装置组成——每条生产线一个——每个装置的尺寸都适合该生产线的特定无功需求. 补偿装机总容量 2.1 MVAr 连续反映了满负荷生产时 6 条同步焊接线的总无功需求. 该系统具有全自动控制和被动冷却功能, 无需定期维护且无需操作员干预. 它可以完全独立运行，也可以与工厂现有的 SCADA 和监控系统集成运行.
04 结果——PST 以下 0.63 在所有操作配置中
安装AHF系统后, 该工厂持续达到 PST 以下值 0.63 — 无论有多少条焊接线同时运行，也无论每条生产线的生产组合如何. 这是关键的测试: 公用事业公司的要求是 PST 95th-百分位数值不超过 0.7, AHF 必须在各种操作场景中实现这一点, 不仅仅是在单一最坏情况或最好情况的负载条件下.
安装后测量由外部顾问进行并得到当地公用事业公司的批准 - 并非由 AHF 制造商单独测量和报告. 这是一个重要的可信度区别: 独立验证的闪烁测量可确保 PST 减少是真实的, 可重现的, 而不是测量条件或精心挑选的操作场景的人为因素. 该公用事业公司接受这些测量结果作为符合其要求的排放限制的证据.
生产稳定性副作用
超越合规成就, 该工厂获得了意想不到的运营效益: 同时稳定所有六条生产线的生产电压. 当焊机吸取大的无功电流脉冲时, 由此产生的电压降不仅会导致外部网络闪烁，还会导致内部电压变化，从而影响焊接过程本身的一致性. 通过消除源端的无功电流脉冲, AHF同时消除了内部电压变化, 提高焊接质量的一致性并减少每个焊接周期输送能量的变化. 这种运营效益——改进的过程质量——是 PQ 缓解的直接结果, 不是预期的设计目标.
05 电能质量视角
本案例研究说明了工业电能质量的社区维度——当 PQ 仅被视为设备保护问题时，这个维度很容易被忽视. 散热器厂的焊机没有出现故障. 该工厂并未因自身闪烁而出现内部生产问题. 问题完全是面向外的: 共享配电网络的电压波动正在影响与工厂生产过程没有联系的邻近客户.
从公用事业配电工程的角度来看, 这是最常见和最困难的闪烁管理场景之一: 连接时负载可接受的现有工业客户, 但随着社区的发展和新客户共享相同的配电基础设施，其闪烁发射超出了规划限制. 在这种情况下，公用事业公司的选择是有限的——他们不能拒绝向新客户供电, 他们无法轻易强化网络以消除现有客户之间的耦合, 他们无法强迫工业客户减少产量. 唯一可行的途径是要求工业客户减少自己的排放——这就是这里发生的情况.
具体提到 AHF 响应时间作为关键选择标准，与公用事业方对闪烁缓解技术的观点完全一致. 晶闸管控制的 SVC（用于电弧炉和大型焊机的传统公用事业级闪烁缓解技术）每半个周期更新其无功输出. 对于脉冲持续时间为 3-5 个周期的点焊机, SVC 正在补偿前一个脉冲，而下一个脉冲已经开始. 急性心力衰竭, 亚毫秒级响应, 实时补偿实际电流. 权衡是成本和复杂性: 一 2.1 MVAr AHF 安装比同类 SVC 昂贵得多, 基于 IGBT 的电力电子设备需要比 SVC 的晶闸管阀更加受控的环境. 对于拥有多台小型焊机生产随机焊机的工厂, 重叠负载模式, AHF 的实时跟踪能力证明了其溢价是合理的. 对于负载周期更可预测的单个大型电弧炉, SVC 或 STATCOM 可能是更经济的选择.
参考文献
- 有源谐波滤波器. AHF 减少散热器生产中的闪烁 — 比利时案例研究. 有源谐波滤波器制造商出版物. 可在 IPQDF 案例研究库中获取.
- 符合IEC 61000-4-15:2010+AMD1:2012. 电磁兼容性 - 部分 4-15: 测试和测量技术 闪烁计 功能和设计规范. 符合IEC, 日内瓦.
- 符合IEC 61000-3-7:2008. 电磁兼容性 - 部分 3-7: 限值 — 波动装置与中压连接的排放限值评估, 高压和超高压电力系统. 符合IEC, 日内瓦.
- IN 50160:2010+A3:2019. 公共电网供电的电压特性. CENELEC的, 布鲁塞尔.
本案例研究基于制造商发布的案例研究 有源谐波滤波器: AHF，降低了闪烁的散热器生产. 在PST 引用的测量值 (1.6 前, 下面 0.63 后) 由外部顾问独立验证并经当地公用事业公司批准.
本案例研究以总结和评论的形式呈现，用于教育目的. PQ 视角部分 (部分 5) 和 SVG 图是 Denis Ruest 原创的 IPQDF 编辑内容, 硕士. (应用), P.Eng. (ret。). IPQDF 不声称原始案例材料的作者.