谐波电流流过变压器时,会导致变压器发出额外的热量,使变压器在没有达到额定功率时便出现温度过高的现象,导致变压器的实际容量降低。在工业上,一些变压器的负荷主要是变频器、中频炉等谐波源设备,这时,发现变压器仅仅达到50%负荷时,就温度过高。在商业上,随着一些建筑物中的节能灯、以PC机为代表的信息设备等非线性负荷增加,变压器过热的现象也十分常见。
过高的温度会缩短变压器的寿命。为了避免变压器过热,当负载是谐波源时,必须降额选用变压器(使变压器不工作在额定功率下)。一种专门用于谐波条件下的变压器称为k等级变压器,这种变压器的绕组和铁心都按照更大功率的情况进行设计,能够承受谐波电流产生的额外的热量。
谐波电流造成变压器过热的原因是谐波电流增加了线圈绕组的电阻损耗(称为铜损)和铁心的损耗(称为铁损)。谐波电流导致导线产生更大的损耗的原因是趋肤效应。
谐波电流导致铁心损耗增加的原因是铁心的涡流损耗和磁滞损耗。涡流损耗的含义是,线圈产生的交流磁场在铁心上感应出电流,电流在铁心的电阻上发热而产生的能量损耗。电磁炉就是利用这个原理。另一个是磁滞损耗,它是铁心内部的磁畴在磁场作用下不断翻转消耗的能量。
这两部分损耗都与频率有关,频率越高,损耗越大。
解决方案:新型的谐波控制措施
有源电力滤波器(APF)是一种新型谐波抑制和无功补偿装置,它不同于传统的LC无源滤波器(只吸收固定频率的谐波),它能对电流和频率都在变化的无功进行补偿,可以实现动态补偿。
有源电力滤波器系统由两大部分构成,即谐波和无功电流检测电路以及补偿电流发生电路。其基本工作原理时,检测补偿对象的电流和电压,经谐波和无功电流检测电路计算得出补偿电流的指令信号,该信号经补偿电流发生电路放大,得出补偿电流,补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消,最总得到期望的电源电流,达到了抑制谐波的目的。
有源电力滤波器按其接入电网的方式,可分为串联有源电力滤波器和并联有源电力滤波器两大类。目前实际应用的APF装置中,90%以上是采用电压逆变器的并联型结构。近年来,为了发挥有源电力滤波器的优势,提高性能,减少容量,降低成本,增强适用性,又设计出了串、并联混合型的有源电力滤波器。即有源电力滤波器APF和无源滤波器PPF构成混合滤波系统HPFS,用PPF滤除谐波电流,再用APF来改善滤波效果,并抑制串联谐振的发生。
为了适应有源电力滤波器多功能复杂控制的需要,一些变结构控制、模糊控制和人工神经网络等现代的新型控制方法的应用,使其获得了更好的控制性能和效果。目前常用的PWM生成方式有:三角波比较法,滞环控制法,预测控制法,特定消谐法和空间矢量法。
因此,通过PWM调制和开关频率的多重化技术的提高,能够实现对高次谐波的有效补偿。当有源电力滤波器的容量不大时,通常采用IGBT和PWM技术进行谐波补偿;当容量很大时,采用GTO以及多重化技术进行谐波补偿,效果比较显著。