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來源：Digikey 作者：Steven Keeping 電費(fèi)成本一般會占到水處理廠運(yùn)營預(yù)算的 40%，因此，工廠必須以最高效率運(yùn)行。然而，工廠的水泵、電機(jī)驅(qū)動器、照明設(shè)備和壓縮機(jī)一直受到諸如諧波失真、電壓缺口、電壓驟降和暫升以及電氣噪聲之類電能質(zhì)量 (PQ) 問題的影響。這些電能質(zhì)量問題會導(dǎo)致效率低下、停機(jī)和設(shè)備損壞。 電能質(zhì)量問題緩解設(shè)備可解決水處理廠的問題。驅(qū)動隔離變壓器、硬接線穩(wěn)壓器、電力線調(diào)節(jié)器、浪涌保護(hù)裝置 (SPD) 和有源跟蹤濾波器等產(chǎn)品可提高效率、防止停機(jī)并保護(hù)寶貴的電力資產(chǎn)免受損壞。 本文簡要介紹了水處理廠電氣設(shè)備設(shè)計(jì)人員面臨的電能質(zhì)量問題。然后介紹了 SolaHD 的電能質(zhì)量問題緩解設(shè)備，這些設(shè)備可用于緩解這些問題并最大限度地提高效率。 電能質(zhì)量問題 雖然水處理廠（圖 1）的能源供應(yīng)總體上是可靠的，但電能質(zhì)量問題經(jīng)常出現(xiàn)。此類問題表現(xiàn)為不必要的諧波失真、電壓驟降和暫升以及電氣噪聲。 
圖 1：水處理廠的能源供應(yīng)可能會受到電能質(zhì)量問題的影響，從而導(dǎo)致效率低下、停機(jī)和設(shè)備損壞。（圖片來源：SolaHD） 水處理廠的電能質(zhì)量挑戰(zhàn)可能來自雷電等外部來源，也可能來自電氣設(shè)備本身等內(nèi)部來源。例如，當(dāng)非線性負(fù)載以脈沖方式消耗電流時(shí)，質(zhì)量較差的變速驅(qū)動器就會產(chǎn)生諧波失真（圖 2）。諧波迫使導(dǎo)體承載 60 赫茲以外的非標(biāo)準(zhǔn)頻率電流。
圖 2：當(dāng)非線性負(fù)載以脈沖方式汲取電流，并迫使導(dǎo)體承載 60 赫茲以外的非標(biāo)準(zhǔn)頻率電流時(shí)，就會產(chǎn)生諧波。（圖片來源：SolaHD） 通過在電壓正弦波的特定點(diǎn)（而非整個(gè)正弦波）上產(chǎn)生非線性電流，電氣設(shè)備會產(chǎn)生基頻整數(shù)倍的諧波頻率。低頻諧波（如 180 Hz、300 Hz 或 420 Hz）是由流經(jīng)電力系統(tǒng)的低頻電流失真和相移電流引起的。高頻諧波（1 kHz 至 3 kHz）是由大功率、非線性電子開關(guān)負(fù)載中的大電流開關(guān)引起的。 另一種諧波現(xiàn)象，即電壓缺口，是由直流電機(jī)驅(qū)動器、電機(jī)啟動器和電源等水處理設(shè)備中的電流整流器開關(guān)引起的。電壓缺口通常是由硅控整流器 (SCR) 中的換向操作造成的。在電流從一個(gè)導(dǎo)電 SCR 傳輸?shù)搅硪粋�(gè) SCR 的短暫時(shí)間內(nèi)，會產(chǎn)生短路。新的 SCR 開始導(dǎo)通，而之前的 SCR 則繼續(xù)短暫導(dǎo)通。這會導(dǎo)致相位短路，通常持續(xù)幾微秒 (µs)，足以降低電壓。電壓缺口可能發(fā)生在交流半周期的任何時(shí)刻，因?yàn)閾Q向角度并不是恒定的，它會隨著負(fù)載要求的變化而變化。 雖然電能質(zhì)量問題有多個(gè)外部和內(nèi)部來源，但約 80% 是由電壓驟降造成的。IEEE 將電壓驟降定義為低于 60 赫茲正常電壓 10% 至 90% 的電壓下降。驟降事件的持續(xù)時(shí)間一般少于 60 秒 (s)，但會多于 8 毫秒 (ms)（圖 3）。
圖 3：電壓驟降是指電壓降低 10% 至 90%，80% 的電能質(zhì)量問題都是由電壓驟降造成的。（圖片來源：SolaHD） 雖然電壓暫升發(fā)生的頻率低于電壓驟降，但它們同樣會帶來麻煩。電壓暫升是一種過壓情況，電壓水平會在半個(gè)頻率周期到幾秒鐘內(nèi)暫時(shí)上升（圖 4）。這些干擾可能是由于水處理廠關(guān)閉大型設(shè)備負(fù)載或功率因數(shù)校正 (PFC) 電容器切換等其他事件造成的。
圖 4：電壓暫升是指電壓水平暫時(shí)上升，持續(xù)時(shí)間為半個(gè)頻率周期至幾秒鐘。（圖片來源：SolaHD） 其他電壓問題和噪聲 電氣設(shè)備和配電系統(tǒng)會帶來其他電壓問題，包括瞬態(tài)電壓、中斷和不平衡。瞬態(tài)電壓亦稱電壓尖峰，是電壓的大幅上升，持續(xù)時(shí)間只有幾微秒（圖 5）。雷擊、機(jī)械開關(guān)、電容器或電容器組開關(guān)、電力系統(tǒng)在故障后重新通電、變壓器開關(guān)以及某些設(shè)備的突然停機(jī)都是瞬態(tài)的來源。
圖 5：瞬態(tài)是電壓的大幅上升，持續(xù)時(shí)間只有幾微秒。（圖片來源：SolaHD） 電壓中斷是指供電中斷，持續(xù)時(shí)間從幾秒到幾十秒不等。超過五秒鐘的中斷通常被稱為持續(xù)中斷。典型原因是電力公司的發(fā)電或配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生事故或設(shè)備故障。 電壓不平衡是三相系統(tǒng)最常見的問題之一。正常的平衡狀態(tài)是三相電壓大小相同，相位角相差 120°。如果與其他相位相比，某一相位的負(fù)載過重，該相位的電壓就會降低，從而導(dǎo)致不平衡。 任何設(shè)備在開啟或關(guān)閉時(shí)，都會因電壓或電流的流入或流出而產(chǎn)生電氣開關(guān)噪聲。噪聲會產(chǎn)生快速的電壓變化，從而產(chǎn)生不良影響或損壞電子電路（圖 6）。
圖 6：電氣噪聲會產(chǎn)生快速的電壓變化，從而損壞電子電路。（圖片來源：SolaHD） 電能質(zhì)量問題對工廠設(shè)備的影響 電能質(zhì)量問題有多種表現(xiàn)形式，會影響水處理廠設(shè)備的效率、可靠性和使用壽命。例如，諧波會影響整個(gè)水處理廠的設(shè)備，使中性線和變壓器過熱、斷路器跳閘、中性線電流過大、降低系統(tǒng)容量，甚至使電氣接頭松動。 電壓缺口會產(chǎn)生高頻諧波，從而損壞水處理設(shè)施中敏感的邏輯和通信電子設(shè)備。此外，缺口產(chǎn)生的額外電流會使電磁干擾 (EMI) 濾波器和線路濾波器過載。此外，電壓缺口會增加 PFC 電容器的損耗，并導(dǎo)致工作溫度升高。 電壓驟降時(shí)會出現(xiàn)的問題包括使用交流電機(jī)的水泵在恒定扭矩負(fù)載下會消耗更多電流，降低效率，有時(shí)還會導(dǎo)致過載繼電器跳閘。 電壓暫升通常不會立即導(dǎo)致設(shè)備故障，但系統(tǒng)會因反復(fù)暴露在電壓暫升的環(huán)境中而承受過大壓力并被削弱。暫升還會導(dǎo)致斷路器和其他保護(hù)裝置誤跳閘。與電壓暫升有關(guān)的另一個(gè)問題是絕緣降級，這會引起火災(zāi)，危及水處理廠的安全運(yùn)行。 電力中斷會阻礙水處理廠的運(yùn)行，并縮短電氣設(shè)備的使用壽命。此外，許多電機(jī)控制電路和過程控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上并不能在電壓中斷后自動重新啟動。 電壓不平衡會導(dǎo)致嚴(yán)重的設(shè)備損壞。例如，當(dāng)感應(yīng)電機(jī)的電壓不平衡時(shí)，線路電流通常是電壓不平衡程度的幾倍。這意味著，電壓不平衡度為 5% 的電機(jī)可能會產(chǎn)生 20% 至 30% 的電流不平衡。額外的電流會在電機(jī)中造成電阻 (I2R) 損耗，導(dǎo)致溫度上升數(shù)十?dāng)z氏度。 對于水處理廠中的固態(tài)傳感器和控制器來說，電氣噪聲是一個(gè)嚴(yán)重的問題，因?yàn)樗鼈兊墓ぷ魉俣群芸欤β仕綐O低。信號電壓越低，可容忍的噪聲電壓幅度就越小。 緩解電能質(zhì)量問題 諧波緩解可使用驅(qū)動隔離變壓器來實(shí)現(xiàn)，該變壓器具有三個(gè)基本功能：減輕電壓變化、降低驅(qū)動引起的接地電流和減少共模噪聲。變壓器必須能夠承受非線性負(fù)載的熱量。例如 SolaHD 的 23-22-112-2 驅(qū)動隔離變壓器，該變壓器的輸入電壓為 120 伏或 240 伏，輸出電壓為 120 伏，輸出諧波失真（輸入范圍內(nèi)滿載時(shí)）為總有效值的 3%。諧波的有效值或均方根值描述了諧波分量在一個(gè)周期內(nèi)的平均功率。 由于增加了中和線圈，驅(qū)動隔離變壓器的輸出幾乎沒有諧波（圖 7）。要了解其工作原理，可將該設(shè)備視為斷開中和線圈的傳統(tǒng)變壓器。當(dāng)部分磁通量通過磁芯的中心腳到達(dá)外側(cè)腳時(shí)，現(xiàn)在開路的線圈就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。由于輸出繞組的漏磁通，該電壓具有較高的奇次諧波含量。
圖 7：由于增加了中和線圈，23-22-112-2 驅(qū)動隔離變壓器的輸出幾乎沒有諧波。（圖片來源：SolaHD） 漏磁通可以通過兩條路徑返回輸出繞組。一條路徑繞過中和線圈，另一條路徑連接到中和線圈。通過控制這些磁路的磁阻，可以控制耦合到中和線圈的次級磁通量。中和線圈連接時(shí)其極性是疊加到次級線圈（或輸出線圈）的。 該隔離變壓器的輸出電壓恒定，幾乎完全沒有諧波。中和線圈中仍然存在諧波；但是，由于次級繞組的磁通會誘發(fā)這些諧波，因此每個(gè)線圈中的諧波相位大約相差 180°，從而抵消了諧波。 SolaHD 還提供用于減少諧波的 63-23-125-4 250 伏安 (VA) MCR 硬線穩(wěn)壓器（圖 8）。該穩(wěn)壓器提供 120 V、208 V、240 V 或 480 V 輸入電壓和 120 V 輸出電壓。輸出諧波失真（在輸入范圍內(nèi)滿載時(shí)）為總有效值的 3%。
圖 8：63-23-125-4 MCR 硬線穩(wěn)壓器的輸出諧波失真為總有效值的 3%。（圖片來源：SolaHD） 該硬線穩(wěn)壓器采用了 SolaHD 的鐵磁諧振變壓器技術(shù)。鐵磁諧振是一種變壓器設(shè)計(jì)技術(shù)，可在設(shè)備中創(chuàng)建兩個(gè)獨(dú)立的磁路，并限制它們之間的耦合。這種設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，輸入電流中的諧波電流相對于基波電流來說可忽略不計(jì)。變壓器的輸出端采用并行諧振振蕩電路，從主設(shè)備汲取電能，以取代輸送到負(fù)載的電能。 鐵磁諧振變壓器形成一個(gè)非線性電路，利用諧振來降低電源電壓的變化，從而為負(fù)載提供更穩(wěn)定的電壓。 該變壓器的磁阻在超過一定磁通密度（飽和）時(shí)會突然發(fā)生變化。該變壓器允許一條磁路（諧振磁路）處于飽和狀態(tài)，而另一條磁路則保持不飽和狀態(tài)。以這種方式運(yùn)行時(shí)，一次電壓的進(jìn)一步變化不會改變飽和電壓或二次電壓，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。 功率調(diào)節(jié)器用于保護(hù)關(guān)鍵工藝系統(tǒng)免受電壓驟降的影響。 具有抗驟降功能的穩(wěn)壓器和電源還能防止供電電壓下降。 電壓波動可以通過 SPD 來解決，SPD 可以安裝在檢修入口、分支面板或附近的專用敏感電子負(fù)載上。當(dāng)電壓突變時(shí)，SPD 會將電流導(dǎo)入接地線。當(dāng)瞬態(tài)脈沖超過閾值時(shí)，電源會有效地對地短路，而正常電流則不受影響。 SolaHD 的 STCHSP121BT1RU SPD（圖 9）可為交流電源和低壓信號線提供浪涌抑制。該抑制器具有共模和常模噪聲過濾以及金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 保護(hù)功能。瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于 5 納秒 (ns)，最大浪涌耐受電流為 39 千安培 (kA)。SPD 還能防止雷擊等事件產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓，但不能取代全面的防雷系統(tǒng)。
圖 9：STCHSP121BT1RU SPD 抑制器具有過濾共模和常模噪聲以及 MOV 保護(hù)功能。（圖片來源：SolaHD） 噪聲緩解可以通過使用有源跟蹤濾波器（如 SolaHDSTFV025-24L）來實(shí)現(xiàn)。該裝置可持續(xù)跟蹤輸入交流電源線路，并在檢測到高頻噪聲時(shí)做出響應(yīng)。該濾波器通過低通電感電容 (LC) 濾波器來消除低壓/高頻噪聲。LC 電阻器 (LCR) 濾波器則用于降低能耗、高頻噪聲。位于各相和中性線導(dǎo)體上的電感器的大小要能承受線路上的最大電流。STFV025-24L 的響應(yīng)時(shí)間 <5 ns，典型 A 類環(huán)形波（6 kV、200 A、100 kHz）的瞬態(tài)降低 <10 V 峰值。 結(jié)語 防止電能質(zhì)量問題對提高效率、防止停機(jī)和保護(hù)寶貴的電力資產(chǎn)不受損害至關(guān)重要。這些問題包括諧波失真、電壓驟降和暫升、瞬態(tài)電壓和電氣噪聲。處理這些問題需要采取多層次的方法。與 SolaHD 這樣能夠提供一系列保護(hù)裝置（包括驅(qū)動隔離變壓器、硬線穩(wěn)壓器、電源調(diào)節(jié)器、SPD 和有源線路濾波器）的供應(yīng)商合作，可以更容易獲得必要的保護(hù)。 |
