关键的电子设备、仪器设备等往往采用UPS电源供电。UPS电源虽然为用电设备提供了有保障的电能,但是却对电网上产生了严重危害。
普通的UPS工作时,产生强烈的谐波电流发射,这些谐波电流对于电网又很大的害处。关于谐波电流的种种危害,大家已经十分熟悉。
UPS电源之所以产生谐波电流,是因为他的输入电路是整流电路,任何整流电路都是谐波源。单相UPS的电流波形如图1所示。
单相UPS的谐波电流中,以3次谐波为主。3次谐波最大的危害是在零线上叠加,导致零线电流过流。由于零线上通常没有保险装置,因此不会对过大的电流进行保护,最终导致零线过热,形成火灾的隐患。对于信息化程度快速提高的今天,零线过热成为电气火灾防范中不容忽视的一个内容。
三相UPS虽然不会产生3次谐波电流,以5、7次谐波电流为主,但是这些谐波电流也会导致变压器过热、电缆过热、跳闸等故障。
为了避免这些问题的发生,要在UPS的电源输入端安装谐波滤波器,减小谐波电流的发射。谐波滤波器有两种,一种是有源滤波器,另一种是无源滤波器。有源滤波器比UPS本身还要复杂,从成本、可靠性等方面考虑,都不是理想的选择。UPS的电源输入端一般使用无源滤波器。但是,在为UPS配备谐波滤波器时,并不能随意配备一般的无源谐波滤波器。因为一般的LC谐波滤波器,通过为谐波电流提供一个低阻抗通路达到滤除谐波电流的目的。这种原理的滤波器用在UPS上,主要有以下两个方面的问题:
第一:吸收上游谐波电流:这种滤波器对于特定的谐波电流提供了一个低阻抗的通路,因此,不仅变频器产生的谐波电流能够被旁路,来自上游的谐波电流也会被旁路,这就容易造成滤波器过载,甚至损坏;
第二:可能与系统发生谐振:陷波电路在调谐频率以外的频率呈现电容性或电感性,极有可能与系统的电容或电感发生谐振,造成系统不稳定。
因此,用于UPS的谐波滤波器必须专门设计。
经过专门设计的谐波滤波器用于3相UPS电源,能够保证总谐波电流畸变率THID < 8%,并且能够满足GB17625标准的要求。
经过专门设计的谐波滤波器用于单相UPS,能够保证总谐波电流畸变率THID < 15%。并满足GB17625标准的要求。
这两种滤波器,不仅能减小UPS的谐波电流,而且还能消除电网上的浪涌电压,防止UPS受到雷电浪涌损坏。
电力谐波就是电能中包含的谐波成分,分为谐波电压和谐波电流。
首先,了解什么是谐波。
谐波是与基波对应的一个概念。
如果有一个频率为f正弦波,那么频率为nf的正弦波就称为频率为f的正弦波的n次谐波,而频率为f的正弦波就是基波(含义为基本波形)。例如,我们的电力电压波形为50Hz的正弦波,则3次谐波就是150Hz的正弦波,5次谐波就是250Hz的正弦波。
用数学的方法可以证明,任何一个周期性波形都可以分解成基波和谐波。因此,当电网电压发生畸变时,就表示其中包含了谐波成分。
图1是包含了5次谐波和7次谐波的波形,5次和7次谐波是工业上最典型的两种谐波。
如果谐波成分是电流,就叫谐波电流。如果谐波成分是电压,就叫谐波电压。
谐波电流是导致变压器过热、电缆过热、跳闸、无功补偿装置烧毁的主要原因。
谐波电压是电子设备误动作的主要原因。在处理电子设备受干扰的问题是,更加关注电子设备接入电网的位置的谐波电压畸变率。一般要求电压畸变率小于5%。
谐波电流与谐波电压之间的关系是很多人搞不清的概念。了解他们之间的关系对于正确解决电能质量问题十分重要,下面对这两者的关系进行讲解。
谐波电流是谐波的根源,谐波电压是谐波电流的产物。因此,要彻底解决谐波导致的各种问题,就要从控制谐波电流入手。
谐波电压是谐波电流流过线路阻抗时产生的,对于特定的配电系统,谐波电流与谐波电压之间的关系如下(欧姆定律):
谐波电压 = 谐波电流 x 电网阻抗
式中:电网阻抗包括了变压器的阻抗和配电线的阻抗,如图2所示。
较大的谐波电流并不一定导致较大的谐波电压。只有当系统阻抗较大时,谐波电流才会产生较大的谐波的谐波电压。图2(a)中的情况是变压器容量较小(对应阻抗较大)的情况,这时,虽然电流(上图)畸变率并不大(所含的谐波电流成分较小),但是电压(下图)出现严重的畸变。图2(b)中的情况是变压器容量较大(对应阻抗较低)的情况,这时,虽然电流(上图)畸变率很大(所含的谐波电流成分较小),但是电压(下图)并未出现严重的畸变。