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技術(shù)文章

有源濾波器在LED顯示屏諧波治理中的應(yīng)用

技術(shù)文章

淮亞利

安科瑞電氣股份有限公司   嘉定   201801

1、引言

       在LED大屏上,多電源分布式開關(guān)電源得到了廣泛應(yīng)用,其產(chǎn)生的諧波分量對(duì)電網(wǎng)和電氣設(shè)備造成的影響日益嚴(yán)重,如何抑制諧波分量成為一個(gè)備受關(guān)注的問(wèn)題。

       開關(guān)電源通常采用大功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件,按一定規(guī)律控制開關(guān),調(diào)整占空比以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。開關(guān)電源一般由整流器和濾波電容組成,交流輸入電壓進(jìn)入濾波器、整流器和濾波電容后變換為直流輸出電壓。現(xiàn)今,開關(guān)電源正在逐漸向高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化發(fā)展。

2、LED顯示屏諧波產(chǎn)生原因

       LED需要低壓直流驅(qū)動(dòng),因此顯示屏工程大量采用開關(guān)電源為顯示模塊提供驅(qū)動(dòng)。為了降低低壓直流電流在各種輸送環(huán)節(jié)耗損,顯示屏配電一般采用大量小功率開關(guān)電源模塊,配置成分布式局部低壓直流供電模式。這種實(shí)現(xiàn)方法在解決了低壓傳輸損耗的同時(shí),卻帶來(lái)了諧波污染和中線電流過(guò)大等問(wèn)題。其原因有:

       開關(guān)電源為典型的諧波源,其諧波含量非常高,其波形為斷續(xù)的尖峰波。由于一般使用的開關(guān)電源容量較?。ǖ湫偷陌咐秊槭痔犭娔X的電源),并沒有引起足夠的重視。但如果大量的開關(guān)電源同時(shí)工作,其產(chǎn)生的諧波將不可忽視,如果不加以處理,可能對(duì)供電網(wǎng)造成污染,對(duì)同一網(wǎng)內(nèi)的其他設(shè)備產(chǎn)生不可預(yù)知的危害。

       常規(guī)三相近似平衡的負(fù)荷,其零線的正常電流一般小于相電流的30%。顯示屏系統(tǒng)無(wú)論怎么配置負(fù)荷分布,由于顯示畫面的變化,終會(huì)帶來(lái)瞬時(shí)三相不平衡。加之諧波電流的影響,其零線的電流可以達(dá)到相電流的280%。

3、LED顯示屏諧波產(chǎn)生的危害

       諧波過(guò)大會(huì)導(dǎo)致零線電流過(guò)大,零線電流過(guò)大是一個(gè)嚴(yán)重的火災(zāi)隱患,因?yàn)榱憔€上沒有過(guò)流保護(hù)裝置,不像相線上有保險(xiǎn)等裝置,當(dāng)電流過(guò)大時(shí)可以切斷電流。而當(dāng)零線上電流過(guò)大時(shí),只能任其溫度升高,加速電纜老化,甚至引起火災(zāi)。

       諧波不僅表現(xiàn)為電流諧波,而且由于諧波電流對(duì)電網(wǎng)沖擊使供電電壓含有諧波,會(huì)使電壓波形奇變嚴(yán)重,可能對(duì)電網(wǎng)上其他敏感設(shè)備造成不良影響,甚至使其工作異常,帶來(lái)關(guān)聯(lián)的法律責(zé)任問(wèn)題,例如同樓中某公司的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器因突然停電,造成損失。

4、ANAPF低壓有源濾波器在LED顯示屏中的應(yīng)用

       某廣場(chǎng)大型戶外LED顯示屏,該顯示屏有850個(gè)30OW的開關(guān)電源分布式并聯(lián)運(yùn)行,總功率共計(jì)250kw。開關(guān)電源是典型的諧波源,在工作時(shí)具有電流諧波畸變率高、諧波含量大、諧波頻譜寬、設(shè)備為容性負(fù)載、功率因數(shù)低等用電特性。當(dāng)大量的開關(guān)電源集中使用時(shí)會(huì)導(dǎo)致中線電流過(guò)高,功率因數(shù)低,電流諧波畸變率高等現(xiàn)象,從而影響了LED顯示屏正常工作。

4.1諧波治理方案

基于該現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn),并聯(lián)安裝一臺(tái)ANAPF型電力有源濾波器,設(shè)備參數(shù)如下:

接線方式

三相三線或三相四線

接入電壓

3×380V ±10%

接入頻率

50Hz ±2%

動(dòng)態(tài)補(bǔ)償響應(yīng)時(shí)間

動(dòng)態(tài)響應(yīng)<4ms,全響應(yīng)時(shí)間<20ms;

開關(guān)頻率

10kHz

諧波補(bǔ)償次數(shù)

2-21次

保護(hù)類型

直流過(guò)壓 IGBT過(guò)流 裝置溫度保護(hù)

過(guò)載保護(hù)

自動(dòng)限流在設(shè)定值,不發(fā)生過(guò)載

冷卻方式

智能風(fēng)冷

噪音

< 65db(處于柜內(nèi)并運(yùn)作于額定狀態(tài))

工作環(huán)境溫度

-10℃~+45℃

工作環(huán)境濕度

<85%RH 不凝結(jié)

安裝場(chǎng)合

室內(nèi)安裝

海拔高度

≤1000m(更高海拔需降容使用)

進(jìn)出線方式

下進(jìn)下出

防護(hù)等級(jí)

IP21

智能通信接口

RS485/MODBUS-RTU

遠(yuǎn)程監(jiān)控

可選

重量(kg)

三相四線

三相三線

30A、50A

7、100A

30A、50A

7、100A

280

360

240

290

4.2 ANAPF有源濾波裝置諧波電流估算

諧波是由非線性設(shè)備產(chǎn)生的,而每種設(shè)備的實(shí)際工作狀態(tài)都不同。因此實(shí)際諧波電流需采用專門設(shè)備進(jìn)行測(cè)量,考慮到設(shè)備的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性,設(shè)計(jì)諧波治理裝置的額定諧波補(bǔ)償電流應(yīng)略大于系統(tǒng)諧波電流。由于諧波電流本身的測(cè)量與計(jì)算比較復(fù)雜,況且在設(shè)計(jì)時(shí)往往很難采集到足夠的電氣設(shè)備使用中的諧波數(shù)據(jù),可以根據(jù)下列公式以對(duì)諧波電流進(jìn)行估算。

其中K1為負(fù)荷率:即負(fù)荷占變壓器額定容量的比例,通常取0.7-0.8;

     K2為諧波系數(shù),根據(jù)系統(tǒng)場(chǎng)合不同而不同;

ST為變壓器額定容量,單位kVA;

     US為低壓系統(tǒng)電壓,一般取0.4。

    根據(jù)估算值,現(xiàn)場(chǎng)選用一臺(tái)100A的ANAPF有源濾波器進(jìn)行諧波治理。

4.3 ANAPF有源濾波器投入前后對(duì)比

4.3.1未安裝ANAPF有源濾波器時(shí)LED屏控制開關(guān)柜進(jìn)線側(cè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)

  

未安裝有源濾波器時(shí)LED屏控制開關(guān)柜進(jìn)線側(cè)zui大的總諧波電流含量98.4%,總諧波電壓畸變率8.4%,零線總諧波畸變率1724.3%。其中3次諧波為zui大諧波電流量,A相41.8A、B相41.7A、C相38A、零線電流122.2A,含諧波功率因數(shù)0.68,總諧波電壓嚴(yán)重超出國(guó)標(biāo)380V低壓側(cè)諧波電壓畸變率THDu值≤5%的要求。較為嚴(yán)重的3次諧波電壓超出國(guó)標(biāo)380V低壓側(cè)諧波電壓奇次畸變率THD≤4%的要求。

4.3.2 安裝有源濾波裝置后LED屏控制開關(guān)柜進(jìn)線側(cè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)

  

       投入安裝ANAPF有源濾波器后LED屏控制開關(guān)柜進(jìn)線側(cè)zui大的總諧波電流含量降至51%,總諧波電壓畸變率降至3.1%,零線總諧波畸變率94.1%。3次諧波電流量A相1.4A、B相1.1A、C相1.8A、零線電流9.8A,含諧波功率因數(shù)提高至0.81??傊C波電壓畸變率THDu值降至3.3%。3次諧波電壓降至低于國(guó)標(biāo)要求380V低壓側(cè)諧波電壓奇次畸變率THD≤4%的要求。

       由上圖對(duì)比可見,ANAPF有源濾波器保護(hù)了LED安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,防止過(guò)電流速斷保護(hù)的誤動(dòng)作,有利于電網(wǎng)和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5、ANAPF低壓有源濾波器的報(bào)價(jià)及主要元件清單

型號(hào):ANAPF100-400/B

參考價(jià)格:12萬(wàn)元/臺(tái)

主要產(chǎn)品明細(xì):

序號(hào)

名    稱

型    號(hào)

數(shù)量

1

APF電氣柜

800X600X2200

1

2

變流器

APFCOV-CVT100

1

3

控制器

APFMC-C100

1

4

電抗器

APF-RE.(S)DG-100

1

5

有源電流互感器

LT208-S7

3

6

濾波器

DL-1TH1

2

7

斷路器

CVS160FTM160D4P3D

1

8

接觸器

LC1D150M7C

1

9

微型斷路器

NDM1-63C32

1

10

中間繼電器

MY4NAC

2

11

R型變壓器

R320-0.38/0.22

1

12

諧波檢測(cè)儀

ACR350EGH

1

13

電線

16mm2

若干

14

電線

4mm2

若干

6、結(jié)語(yǔ)

       隨著顯示屏幕規(guī)模的變大,顯示屏幕工程對(duì)電網(wǎng)造成的諧波污染已是一個(gè)不可輕視的問(wèn)題。諧波帶來(lái)的各種危害已經(jīng)初步顯現(xiàn),由此引發(fā)的電網(wǎng)運(yùn)行事故和法律關(guān)聯(lián)責(zé)任都可能隨時(shí)發(fā)生。本文通過(guò)分析LED顯示屏中諧波特性和危害,并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用案例,分析了有源濾波器投入前后的情況,說(shuō)明了有源濾波器的諧波治理技術(shù)是改善供電電能質(zhì)量的有效手段之一,可將產(chǎn)生的諧波控制在zui小范圍內(nèi),達(dá)到科學(xué)合理用電,抑制電網(wǎng)污染,提高電能質(zhì)量,保證設(shè)備安全運(yùn)行的作用。

參考文獻(xiàn):

[1] 王可亮,瞿世尊,陳?。_關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].電子元器件運(yùn)用,2004 ,6 (3):17-19.

[2] 三相四線有源濾波器在上海世博會(huì)國(guó)家電網(wǎng)館LED顯示屏諧波治理中的應(yīng)用.

[3] 上海安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊(cè).2013.01.

 作者簡(jiǎn)介:

淮亞利,女,本科,安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電。

《ANAPF有源電力濾波裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用圖集》(圖集號(hào):ACR13CDX701)由安科瑞電氣股份有限公司主編,本圖集結(jié)合ANAPF有源電力濾波裝置產(chǎn)品的特點(diǎn),依據(jù)電氣設(shè)計(jì)規(guī)范,研究消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問(wèn)題,達(dá)到改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的目的。圖集適用于新建、改建、擴(kuò)建和技改項(xiàng)目中工業(yè)與民用及公共建筑內(nèi)電氣設(shè)備的諧波抑制及綜合治理的設(shè)計(jì)與改造。

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