淺談有源濾波器在汽車行業中的應用及選型

摘要：簡述汽車行業的諧波治理需求，分析汽車行業中典型諧波源點焊機的工作特性和諧波特性，介紹諧波治理對車企的作用，總結諧波治理和有源濾波器的發展趨勢。

關鍵詞：汽車行業；電能質量；諧波治理；有源濾波器；點焊機；諧波電流；諧波電壓；電力電子器件

0引言

近20年來，我國經濟持續高速增長，汽車為人們的交通出行帶來了很大便利，電力電子器件大量使用于汽車制造行業，對工廠配電系統的電能質量提出了愈來愈高的要求。

1汽車行業的諧波治理需求

1.1諧波的影響

在理想供配電系統中，電源是頻率為50Hz(工頻)的正弦波，僅存在相位和幅值的差異，頻率一致，電機、電力電子器件、變頻器等非線性設備的應用產生了諧波，頻率為工頻的整數倍(也有工頻非整數倍的分量為間隙波)，使電壓和電流的波形發生畸變，由標準正弦波變為非正弦波。

汽車制造業在生產中大量采用了諸如電焊機、沖壓機、切割機、起重機、變頻器等沖擊性、非線性負荷，這種沖擊性負荷的諧波問題，其變化速度快，幅度大，非常難處理，會對企業的生產工作和設備使用帶來非常大的影響和巨大的經濟損失。

良品率作為產品質量的考量標準，對于汽車產品更是重中之重，若出現不合格產品則需返工甚至報廢，出現脫焊、未焊透等焊接質量問題導致返修，大大增加企業成本。

電容器和電抗器作為無功補償主要元器件，在電力系統中更是扮演著重要的角色，但是其電氣特性導致其極易受到諧波影響產生共振，從而導致電容器和電抗器異常發熱甚至燒毀，此類故障案例數不勝數不光維修更換費用昂貴，電容器故障還會導致整條線路癱瘓，造成的二次經濟損失不可估量。

現場配電系統使用自動投切補償裝置，其核心部件為可控硅，使用壽命長，但作為靈敏度自動化設備，對任何細微的變化都極為敏感，其反應速度快、動作頻率高的特性的優點在面對諧波時反而成為缺點。大量的諧波導致可控硅頻繁動作，投切頻率遠高于正常使用頻率，使原本預計的使用壽命大大下降，產品優秀的耐受性顯得毫無意義從而加大企業在此方面的維護成本。

1.2諧波治理的作用

不同種類的諧波造成的危害不盡相同(如:3次諧波加在中性線可能造成中性線嚴重過負荷)，高次諧波則極易和電容器產生共振，能毀電容器。

通過有源濾波器進行諧波治理，可以消除電網中存在的諧波，保護車間內的沖壓設備。電焊設備等不再受到諧波危害。在純凈的用電環境下設備的工作穩定性將大大提升，解決因諧波影響而產生的脫焊、未焊透等問題。

2點焊機的工作特性和諧波治理

2.1點焊機的工作特性

在汽車行業的焊接工藝中，點焊由于其焊接特性優良和便于機械自動化得到了普遍的應用，有可移動式獨立焊機也有固定式焊接生產線、焊接機器人等，電焊機起弧時輸人電流間加大至滿負荷，電弧想滅后輸人電流降至接近于零，并且負載在零至滿負載之間快速、反復變化。由于逆變焊機中二極管整流電路的存在，因此其輸人電流中含有大量諧波成分，諧波電流的產生和消失在幾個周波內完成，計量時間達到毫秒級，不但輸人電流幅值是變化的，諧波電流總畸變南也是變化的，情況更加復雜。

2.2點焊機的諧波分析

焊接車間低壓供電的配電情況較為復雜，主要包含多種大型點焊設備和沖壓設備等。筆者選用了一臺經常出現母焊的焊機進行測試，了解該焊機在啟動運行過程中的諧波大小和分布情況。點焊機啟動后的工作電流如圖1所示。

圖1點焊機啟動后的工作電流

從圖1中可以看出，電流波形畸變嚴重，特別是啟動時A相電流波形出現長時平谷，B相電流波形出現多個波峰。

圖2為焊機電流波形圖(虛線為標準正強波電流應在用電開始后5ms時達到電流峰值，在10mms時歸0，在15ms時達到反向峰值，在20s時再次歸0，構成一個完整的周波，在一個周波的用電時間內，電流波形應該過渡平滑。可以看出，焊機實際波形比標準正強波形更早出現了波峰，在5ms峰階段，焊機波形此時已經處于回落狀態，并出現了長時間的平谷，此時電流值為0。通過對比不難看出，焊機的電流波形已經不是正弦波形，負載電流中含有大量的諧波電流，導致焊機電流波形畸變嚴重，會對電力系統造成嚴重影響。

圖2焊機電流波形圖分析

圖3分別為A相的諧波電流柱狀圖和諧波電壓柱狀圖，從柱狀圖中可以看出諧波主要由3次諧波構成，5、7、9次諧波比較小，電壓也有一定的諧波含量，2次、3次、5次諧波電壓較多。

圖3A相諧波電流和諧波電壓柱狀圖

2.3點焊機的諧波治理

針對點焊機的工作特性，需要選擇具備快速響應能力的濾波裝置進行諧波治理，而有源濾波器通過大功率電力電子器件的高頻開關(IGBT)來實現諧波治理，并具備沖擊性負荷的無功補償功能，能夠發揮重要作用。

圖4投入有源濾波器的焊機電流波形圖

圖5A相治理后的諧波電流和諧波電壓柱狀圖

圖4為投入有源濾波器的焊機電流波形圖，可以看出，經有源濾波器補償后的焊機波形已經比較接近正弦波形，且波峰和0值過渡較為平滑，沒有出現補償前的波形畸變情況，說明諧波電流已基本消除完畢。

圖5分別為A相治理后的諧波電流柱狀圖和諧波電壓柱狀圖，從諧波電流柱狀圖可以明顯觀察出3次諧波基本被消除，其他各次諧波也有一定降低，電壓中的諧波含量也有一定程度的降低，特別是補償前較多的2次和3次諧波電壓。

從補償結果可以看出，有源濾波器可以適應焊接車間內的工作環境，即使是面對瞬間產生和消失的諧波電流也能正常捕捉并進行補償，且補償效果十分理想，基本消除焊機產生的諧波電流，同時對諧波電壓也有較強的抑制作用。

3安科瑞APF有源濾波器產品選型

3.1產品特點

(1)DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數字控制算法，運行穩定；

(2)一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償；

(3)具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

(4)模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現參數設置和控制，使用方便，易于操作和維護；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統的影響；

(7)多機并聯，達到較高的電流輸出等級；

3.2型號說明

3.3尺寸說明

3.4產品實物展示

ANAPF有源濾波器

4安科瑞智能電容器產品選型

4.1產品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線損、提高功率因數和電能質量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成。可替代常規由熔絲、復合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現代電網對無功補償的更高要求。

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數、頻率、電容器路數及投切狀態、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內部晶閘管復合開關電路，自動尋找適宜投入（切除）點，實現過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。

4.2型號說明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

4.3產品實物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補償裝置智能電容方案

5結語

目前，我國汽車保有量持續快速上漲，汽車制造業新建、擴建、改建項目源源不斷，新技術、新產線、新設備持續投入使用，配電網中非線性負荷的比例還在不停增加，諧波理的需求非常大。隨著電力電子技術的發展和材料成本的下降，有源濾波器的成本也會隨之下降，采用有源濾波器進行諧波治理會成為愈來愈多車企的選擇，能夠靈活配置、快速響應的有源濾波器，將會在諧波治理這一領域得到更廣泛的應用。

參考文獻

[1]朱琴華,陳利權,薛波峰.有源濾波器在汽車行業的應用[J].建筑電氣,2019,38(05):62-64.

[2]吳竟昌.供電系統諧波[M].北京:中國電力出版社，1998.

[3]楊斌文，劉麗英，王文虎.電力系統中諧波的抑制方法[J].電氣時代，2002(3):55-56.

[4]王兆安，楊君，劉進軍，等.諧波抑制和無功功率補償[M].北京:機械工業出版社，2006.

[5]杜雄，周雛維，謝品芳.直流側并聯型有源電力濾波器的可控性及其統一控制策略[J].電工技術學報2008，23(2):127-132.

[6]王學振.電力系統諧波抑制及濾波器的分析[J]電子質量，2011(1):11-13.

[7]朱建軍.模塊化有源電力濾波器的研究[J].科技信息，2013(8):145-147.

[8]宋文南，劉寶仁.電力系統諧波分析[M].北京:水利電力出版社，1995.

[9]高燕，陸浩.電力系統諧波治理淺析[J].內蒙古石油化工，2009，34(6):114-115.

[10]鄭麗萍，王海峰.淺析電力系統中諧波產生的危害及治理措施[J].東方企業文化，2013(20):206.

[11]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

安科瑞侯文莉