深度分析直流穩(wěn)壓電源干擾問題及解決辦法
2017-7-2 18:30:42??????點(diǎn)擊：
直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量指的是提供給用電客戶的電力的各種變化情況，涉及接線問題、接地問題、開關(guān)瞬變、負(fù)載變化和諧波生成。直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量不良會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)，維修作業(yè)增加，使用壽命縮短，最終產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失。接下來的內(nèi)容將從工業(yè)設(shè)備的視角分析直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量不良的影響，并說明如何使機(jī)器保持最佳運(yùn)行狀態(tài)。
直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量干擾源于何處？
圖1a是電力研究院在全美24家電廠針對(duì)配電質(zhì)量展開的研究總結(jié)。大部分 (85%) 直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量事故源于直流穩(wěn)壓電源突降或突升、諧波和接線以及接地問題。圖1b顯示了歐洲直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量調(diào)研的結(jié)果。據(jù)估計(jì)，在歐盟25個(gè)國家中，直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量問題造成的經(jīng)濟(jì)損失每年超過1560億美元（1500億歐元）。
圖1. 直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量問題的不同原因：a) 美國；b) 歐洲。
在工業(yè)環(huán)境中，啟動(dòng)和停止重負(fù)載可能導(dǎo)致直流穩(wěn)壓電源電壓突降和突升，使網(wǎng)絡(luò)直流穩(wěn)壓電源電壓超出標(biāo)準(zhǔn)工作條件。大部分設(shè)備都是設(shè)計(jì)為在一定工作條件以內(nèi)工作，較長時(shí)間的直流穩(wěn)壓電源電壓突降和突升會(huì)引起停機(jī)和工藝中斷。在當(dāng)今商業(yè)氣候下，許多公司都在考慮安裝或已經(jīng)安裝本地產(chǎn)生的再生能源，例如太陽能和風(fēng)力發(fā)電。很多情況下，分布式電力來源使得電氣設(shè)施需要開關(guān)模式直流穩(wěn)壓電源。隨著電力電子和開關(guān)直流穩(wěn)壓電源使用的增加，諧波將成為工業(yè)設(shè)備更常見的直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量問題來源。此類直流穩(wěn)壓電源可將諧波注入電線并降低直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量，從而影響任何連接到供電網(wǎng)絡(luò)的東西，包括變壓器和電纜。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組件過載時(shí)，設(shè)備管理者常?？捎^測到大諧波直流穩(wěn)壓電源電流的影響。某些情況下，網(wǎng)絡(luò)組件的總損耗增加0.1%至0.5%便可能觸發(fā)保護(hù)器件。導(dǎo)致直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量不良的其他一些因素包括：各相差分負(fù)載、接線和接地方案不當(dāng)、負(fù)載相互作用、EMI/EMC和大無功網(wǎng)絡(luò)的切換。
圖2. 不同失真效應(yīng)下網(wǎng)絡(luò)直流穩(wěn)壓電源電流和直流穩(wěn)壓電源電壓的可視化。
直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
為了應(yīng)對(duì)并管理直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量，必須找到可靠的監(jiān)控和報(bào)告方法。行業(yè)制定的一些重要標(biāo)準(zhǔn)有IEC 61000-4-30 A類和S類、IEC61000-4-7 諧波測量和針對(duì)閃變的IEC61000-4-15。大多數(shù)電力公司已采納這些直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來制定和實(shí)施規(guī)章制度。某些情況下，如果直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不符合規(guī)范，電力公司可能會(huì)懲罰客戶。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不僅就實(shí)際應(yīng)用中的直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量建立共識(shí)，而且讓用戶確信他們有精確的數(shù)據(jù)來解決相關(guān)問題。在電力網(wǎng)絡(luò)中，直流穩(wěn)壓電源電壓突降、突升、閃變、標(biāo)稱額定值變化和諧波所致失真，全都包含關(guān)于網(wǎng)絡(luò)健康狀況的重要信息。高測量精度是提供可靠且可重復(fù)結(jié)果的關(guān)鍵。
應(yīng)用直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量監(jiān)控，改善電網(wǎng)和機(jī)器狀態(tài)
利用現(xiàn)代直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量器件提供的信息可以標(biāo)定整體系統(tǒng)的基準(zhǔn)性能，幫助開展預(yù)防性維護(hù)，監(jiān)控趨勢(shì)和狀態(tài)，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能及其對(duì)工藝設(shè)備的敏感性，減少電費(fèi)?？梢栽谥绷鞣€(wěn)壓電源系統(tǒng)上安裝直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，將其原始測量數(shù)據(jù)聚合起來便可進(jìn)行相關(guān)性分析，幫助確定擾動(dòng)源。直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量監(jiān)控器還可以是嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的一部分，實(shí)現(xiàn)更高的集成度和更精密的控制。捕捉機(jī)器獨(dú)有的電氣特征可以了解整體運(yùn)行狀態(tài)。從數(shù)據(jù)分析和診斷得出的結(jié)論可以為下一代保護(hù)算法和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供可靠的信息，提高直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量。
如果設(shè)備已部署在工廠環(huán)境中，則利用直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量曲線可以確定最佳管控技術(shù)。例如，印度一座工業(yè)設(shè)施的直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量曲線揭示直流穩(wěn)壓電源電壓和直流穩(wěn)壓電源電流波形存在嚴(yán)重失真。經(jīng)過充分分析后，工廠中安裝了混合功率因數(shù)校正系統(tǒng)。利用新的校正系統(tǒng)，功率因數(shù)從–0.5變?yōu)?0.9，THD改善50%。
圖3. 來自直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量監(jiān)控器的信息和報(bào)告。
現(xiàn)代化直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量分析儀
過去，設(shè)計(jì)高精度直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量分析儀需要較高的技術(shù)能力，并且常常涉及使用分立器件和開發(fā)定制直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量測量算法。新型直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量模擬前端 (AFE) 集成了低漂移總增益的高性能ADC和DSP內(nèi)核。分立式設(shè)計(jì)方法和編寫定制算法意味著復(fù)雜度和成本會(huì)很高，而集成式AFE消除了這種弊端。
集成AFE計(jì)算并提供直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量參數(shù)，例如突降、突升、均方根、相序誤差和功率因數(shù)值。它還從輸入信號(hào)獲得線路頻率諧波成分。ADI已開發(fā)出一款世界領(lǐng)先的直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量監(jiān)控前端——ADE9000。它消除了大部分的計(jì)算復(fù)雜性，并簡化了實(shí)施直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)所需的時(shí)間和精力。
圖4. 高集成度、三相電能和直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量監(jiān)控IC ADE9000的功能框圖。
大數(shù)據(jù)分析成為可能，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)更高的能源智能
隨著工業(yè)環(huán)境中各種設(shè)備之間的互聯(lián)程度越來越高，以及物聯(lián)網(wǎng)部署的加速，來自分布式設(shè)備的直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量信息將以新的方式加以收集和利用。例如，利益相關(guān)方可以分析歷史趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)緊急問題的及早檢測。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)之內(nèi)，利用多個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以識(shí)別并隔離擾動(dòng)。機(jī)器診斷的數(shù)據(jù)分析、預(yù)防性維護(hù)和問題負(fù)載的隔離，均是減少工藝中斷、提高設(shè)備壽命和增加正常運(yùn)行時(shí)間的新途徑。
圖5. 典型直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)鏈
全球能源總需求預(yù)計(jì)每年增長約5%。電網(wǎng)連接設(shè)備的規(guī)模和復(fù)雜度將不斷提高，直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量擾動(dòng)隨之增加?，F(xiàn)代商業(yè)對(duì)干凈、可靠、永遠(yuǎn)在線的電能的依賴性越來越高。通過采用新一代直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)，工業(yè)設(shè)備所有者可以預(yù)期機(jī)器設(shè)備過早失效或磨損的情況會(huì)減少，干凈的直流穩(wěn)壓電源將帶來巨大好處。
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